Urea är ett kritiskt beståndsdel som finns i allt från gödningsmedel till hudvårdsprodukter. Storskalig produktion av urea, som naturligt är en produkt av mänsklig urin, är ett enormt företag, står för cirka 2 % av den globala energianvändningen och utsläppen idag.

I årtionden, forskare och ingenjörer har försökt göra denna process mer energieffektiv när efterfrågan på gödselmedel ökar med ökad befolkning. Ett internationellt forskarlag som inkluderar forskare och ingenjörer från University of Texas i Austin har tagit fram en ny metod för att göra urea som är mer miljövänlig än dagens process och producerar tillräckligt för att vara konkurrenskraftig med energiintensiva industriella metoder.

Att tillverka urea idag innebär en termisk process i två steg som kräver höga nivåer av värme och tryck under kontrollerade tuffa miljöer. Men denna nya process kräver bara ett steg och förlitar sig på ett koncept som kallas elektrokatalys som använder elektricitet - och potentiellt solljus - för att utlösa kemiska reaktioner i en lösning vid rumstemperatur under omgivande förhållanden.

"Vi behöver sänka utsläppen runt om i världen. Det är därför vi vill utveckla dessa mer hållbara vägar för att producera urea med hjälp av elektrokatalys istället för denna energikrävande tvåstegsprocess, sa Guihua Yu, en docent i materialvetenskap vid Cockrell School of Engineerings Walker Department of Mechanical Engineering som medledde teamet som publicerade ett nytt milstolpedokument om processen i Naturens hållbarhet .

I dag, syntetisk urea produceras främst via Haber-Bosch-metoden – som är känd som en av 1900-talets största uppfinningar eftersom den möjliggjorde massproduktion av konstgödsel och bidrog till att öka den globala livsmedelsförsörjningen. Den kombinerar kväve och väte för att göra ammoniak, som sedan binder med koldioxid för att göra urea. Denna tvåstegsprocess kräver uppvärmning till 400 eller 500 grader Fahrenheit för att utföra reaktionen, använder enorma mängder energi och producerar betydande utsläpp längs vägen.

Att producera urea genom elektrokatalys är en alternativ process som är mer hållbar och energieffektiv. Dock, denna metod har historiskt sett inte producerat tillräckligt för att göra den lönsam. Det skapade för många biprodukter och krävde mycket energi för att bryta bindningarna av de molekylära byggstenarna för att utlösa reaktionen.

Att hitta rätt grundämnen eller katalysatorer för att skapa en effektiv kemisk reaktion var den främsta utmaningen. UT-teamet använde nitrat, istället för det typiska kvävet, att binda med koldioxid. Och katalysatorlösningen är sammansatt av indiumhydroxidnanomaterial.

Denna mycket effektiva nanomaterialelektrokatalysator har "hög selektivitet, " Yu sa, vilket betyder att den bara producerar det som forskarna vill att den ska producera, inte ett gäng biprodukter. Och det skapar ett högre utbyte av urea än tidigare försök med elektrokatalys.

"Det tar mycket mindre energi att bryta nitratbindningarna, jämfört med kväve, och det hjälper till att producera mycket högre utbyte av urea, " sa Yu.

Yu ser denna formel som tillämplig på stor- och småskalig användning. Elektrokatalytiska enheter kunde drivas av individer och säljas till enskilda gårdar så att de kunde generera sin egen urea för jord. Och förhoppningen är att tillhandahålla alternativa lösningar till storskaliga industriella processer för att minska energianvändningen, vilket kan spela en roll för en mer hållbar framtid då befolkningen och efterfrågan på urea säkert kommer att växa.

Nästa steg i denna process innebär att ytterligare förbättra utbytet och selektiviteten, samt en prototypenhet som kan skala upp produktionen. Och forskargruppen försöker hitta ett sätt att driva processen med hjälp av solenergi snarare än direkt elektricitet.