Inspirerad av naturen utvecklade forskargruppen en järnmetalliserad porfyrinbaserad metallorganisk ramverksfotokatalysator. Kredit:City University of Hong Kong
Ammoniak (NH3 ) är en viktig komponent i konstgödsel och en lovande kolfri energibärare. Ammoniakproduktionen förbrukar dock cirka 2 procent av världens totala energiproduktion och släpper ut 500 Mt koldioxid årligen. En forskargrupp ledd av forskare vid City University of Hong Kong (CityU) utvecklade en ny sorts fotokatalysator som kan producera ammoniak från atmosfäriskt kväve vid rumstemperatur med solljus. Denna nya metod överträffade det konventionella sättet som orsakar massiva koldioxidutsläpp. Forskargruppen trodde att sådan teknik för hållbar ammoniakproduktion skulle främja utvecklingen av den framtida kväveekonomin.
Denna forskning leddes av professor Leung Kwok Hi Michael, Shun Hings utbildnings- och välgörenhetsfond professor i energi och miljö och biträdande professor Dr. Shang Jin, båda från CityU:s School of Energy and Environment (SEE), samt en forskare från Australien. Deras resultat publicerades i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano under titeln "Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal-Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation."
Ammoniak:ett framväxande bränsle som kan ersätta petroleum och kol vid generering av el
Ammoniak är en viktig komponent i mat och gödningsmedel. Det mesta av den konstgjorda ammoniaken används för att producera konstgödsel för jordbruket. Ammoniak är också en viktig kemikalie med ett brett spektrum av industriell användning, från tillverkning av rengöringsmedel till köldmedier. Ännu viktigare är att ammoniak har rönt stor uppmärksamhet de senaste åren eftersom det är en källa till väte för bränsleceller, och det är lättare att flyta och transporteras än väte. Dessutom kan ammoniak i sig tjäna som bränsle för annan kraftproduktion än petroleum och kol. Så det finns en enorm efterfrågan på att producera ammoniak.
Teamet utvecklar en fotokatalysator för att producera ammoniak efter att ha uppnått artificiell kvävefixering som drivs av solljus och med vatten som reduktionsmedel, vid omgivande temperatur och tryck. Kredit:City University of Hong Kong
Nuvarande produktionsmetod:Skadlig för miljön
Att "fixa" kväve är ett viktigt steg innan man producerar ammoniak. Även om 80 procent av atmosfären består av kväve, kan detta "fria" kväve inte utnyttjas förrän det omvandlas till kvävehaltiga föreningar. Denna omvandlingsprocess kallas "kvävefixering."
Kvävefixering kan göras naturligt eller artificiellt. Det konstgjorda sättet hänvisar vanligtvis till den industriella Haber-Bosch-processen vid förhöjd temperatur och tryck, med järn som katalysator för att producera ammoniak från kväve och väte. Nuförtiden är ammoniakproduktionen starkt beroende av Haber–Bosch-processen, men den är inte hållbar eftersom den förbrukar en enorm mängd fossila bränslen och orsakar massiva koldioxidutsläpp.
För att leta efter ett hållbart sätt att producera ammoniak, sammanför professor Leung och Dr. Jin sina team för att utveckla ett tillvägagångssätt för kvävefixering vid omgivande förhållanden med hjälp av vatten och förnybar energi. Den största utmaningen för det gemensamma teamet var att tillverka en katalysator som möjliggör den utmanande flerstegsreaktionen med kvävefixering.
Denna figur visar hur den nya fotokatalysatorn utlöser kvävereduktionsreaktionen och producerar ammoniak. Kredit:City University of Hong Kong
Ny biomimetisk fotokatalysator
I naturen binder och aktiverar järn i nitrogenas (ett slags enzym) kväve positivt, och porfyrin (en sorts organisk förening) i klorofyll skördar effektivt solljus. Inspirerad av ovanstående naturmekanismer utvecklade teamet en järnmetalliserad porfyrinbaserad fotokatalysator för metallorganisk ram (MOF).
Denna biomimetiska fotokatalysator, med endast 15 till 25 nm i tjocklek, kan producera ammoniak efter att ha uppnått artificiell kvävefixering driven av solljus och med vatten som reduktionsmedel, vid omgivningstemperatur och tryck.
Teamet använde MOF i denna fotokatalysator eftersom det gav mer aktiva platser på ytan för adsorption och aktivering av kväve. Så effektiviteten av kvävereduktionsreaktionen förbättras.
Teamet utförde experiment med denna fotokatalysator och bevisade att ammoniak kunde produceras. "Vi utvecklade en ny fotokatalysator som kan uppnå den bästa fotokatalytiska kvävefixeringsprestandan i kategorin MOFs-baserade fotokatalysatorer. Den uppvisar en av de högsta ammoniakutbytena och den bästa hydrolytiska stabiliteten i MOFs", säger professor Leung. God hydrolytisk stabilitet innebär att fotokatalysatorn ska användas upprepade gånger.
Genom denna forskning utforskade teamet den fotokatalytiska kvävereduktionsreaktionen på deras biomimetiska fotokatalysator. Dr. Shang påpekade att den nya kunskapen från detta arbete skulle vägleda den rationella designen av nästa generations MOF-baserade fotokatalysatorer. Han trodde att deras fynd skulle frigöra potentialen att utveckla olika porfyrinbaserade MOF:er som fotokatalysatorer för olika energi- och miljötillämpningar.
Teamet hoppades att denna banbrytande studie skulle inspirera forskare och ingenjörer inom katalysområdet att utforska och utveckla MOFs-baserade biomimetiska fotokatalysatorer för att katalysera andra kemiska reaktioner vid omgivningstemperatur och omgivningstryck, inte begränsat till artificiell kvävefixering.
"Att producera energi och råvarukemikalier via fossilbränslefria processer är idealiska för att uppnå kolneutralitet. Denna forskning utvecklade en teknik för att producera ammoniak från atmosfäriskt kväve och vatten genom att skörda solljus. Vi fick hållbart kolfri energi", avslutade professor Leung. Teamet trodde att deras resultat skulle hjälpa till att mildra den allt mer pressande energikrisen och miljöproblemen. + Utforska vidare
