För mer än 112 år sedan industrialiserade Fritz Haber och Carl Bosch en process som kunde producera ammoniak från kväve som är lätt tillgängligt i luften, vilket skapade kommersiellt gångbart kemiskt gödningsmedel som kan förbättra växtproduktionen. Haber-Bosch-processen anses vara ett av 1900-talets viktigaste vetenskapliga genombrott och används fortfarande för att odla grödor runt om i världen. Det räddade miljoner från svält, men det, tillsammans med andra mänskliga aktiviteter, stör planetens kvävekretslopp, värmer upp jorden och riskerar potentiellt miljoners hälsa.

Det är därför det är dags att se över det vetenskapliga arbetet som pågår för att återbalansera kvävecykeln, enligt Xuping Sun, professor vid Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China. Sun och hans team utvärderade de senaste årens forskning inom området och sammanfattade de mest lovande vägarna framåt i en artikel som publicerades den 2 juni i Nano Research Energy .

"Majoriteten av jordens atmosfär - 78% - är atmosfäriskt kväve, vilket gör den till den största kvävekällan," sa Sun. "Men atmosfäriskt kväve har begränsad tillgänglighet för biologiskt bruk, vilket leder till en brist på användbart kväve i många typer av ekosystem, så det genomgår olika typer av omvandling för att upprätthålla en balans. Mänskligheten har fått jordens kvävekretslopp ur balans."

Kväve cirkulerar genom flera kemiska former när det rör sig bland ekosystem i atmosfären, vattnet och marken. Före tillkomsten av Haber-Bosch-processen skaffade växter till exempel ammonium från sönderfallande mikroorganismer som finns i kompost och gödsel som tar upp kväve och omvandlar det. Växterna absorberar ammoniumet, från mikroorganismerna eller från gödselmedel, in i sina rötter, men de kan inte använda det överflöd som gödselmedlet ger.

"När växtrötter inte tar bort gödselmedlet, rinner en del av det från fältet och förorenar vattendrag", sa Sun. "Resten konsumeras av en serie markmikroorganismer som omvandlar ammoniak till nitrit, sedan nitrat och slutligen till kvävgas. Det kan kombineras med syre till lustgas, allmänt känd som lustgas, som är cirka 300 gånger effektivare vid värmer atmosfären än koldioxid."

Svaret, sa Sun, kan vara elektrokatalys. Denna process använder en katalysator för att accelerera en kemisk reaktion på en elektrod, och den används ofta i sådana produkter som bränsleceller eller batterier.

"Elektrokatalys är en enkel men kraftfull metod som fungerar vid omgivningsförhållanden, där katalytiska material bestämmer effektiviteten av omvandlingen," sa Sun. "Kvävecykelkatalysen innehåller flera omvandlingsreaktioner och motsvarande potentiella elektrokatalysatorer, så en verkligt effektiv och stabil katalysator kommer att vara vår bästa chans att balansera kvävets kretslopp, speciellt om den är flexibel, hållbar och kompatibel nog att omvandla intermittent förnybar energi till värde -tillsatta kemikalier med minimala koldioxidutsläpp."

Forskarna granskar specifikt hur de senaste framstegen inom heterogena nanomaterial, eller avstämbara atomära material vars specifika storlek och arrangemang kan förändra reaktionen, kan bidra med potentiella lösningar.

"Även om en uppsjö av katalysatorer har utvecklats, som visar god effektivitet och med mekanistiska förklaringar, behövs fortfarande stora genombrott," sa Sun. "Vi hoppas att detta dokument kommer att ge fler forskare uppmärksamhet på problemen inom detta område som måste lösas, inklusive korrekta kvantitativa metoder eller nya indikatorer för att bestämma katalysatoraktivitet; och verkligt effektiva, stabila och ekonomiska katalytiska system, som kräver katalysatorn , elektrolyt, reaktor och mer."

Sun sa att forskarna planerar att fortsätta undersöka olika metoder för att utveckla elektrokatalysatorer som kan påskynda balanseringen av kvävecykeln. + Utforska vidare

Odla spannmålsgrödor med mindre gödningsmedel