Kan vi bruge solenergi til at lave gødning lige på gården?

Brød kaldes ofte livets personale, men denne etiket kan være mere præcist påført nitrogen, elementet, som jordbakterier plukker ud af atmosfæren og kemisk ændrer for at hjælpe med at anspore væksten af ​​planter, som i sidste ende nærer husdyr og mennesker også.

I dag eksisterer en enorm industri for at producere og levere nitrogenbaseret gødning til gårde, der drager fordel af højere afgrødeudbytter, men desværre, til en vis miljøomkostning, da overskydende kemisk afstrømning ofte spilder ud i floder og kystnære vandveje.

Nu leder Stanford-forskere en flerårig indsats for at producere denne vitale vækstbooster på en bæredygtig måde, ved at opfinde en soldrevet kemiteknologi, der kan fremstille denne gødning lige på gården og anvende den direkte på afgrøder, drypvandingsstil.

"Vores team udvikler en gødningsproduktionsproces, der kan fodre verden på en miljømæssigt bæredygtig måde, siger kemiingeniør Jens Norskov, direktør for SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, et partnerskab mellem forskere fra Stanford Engineering og SLAC National Accelerator Laboratory.

Dette otteårige SUNCAT-projekt understøttes af et tilskud på $ 7 millioner fra Villum Foundation, en international videnskabelig og miljømæssig filantropi. Den bæredygtige kvælstofindsats er en del af en bredere, 20 millioner dollar Villum-støttet initiativ for at bringe Stanford-forskere sammen med danske forskere til at udvikle bæredygtige teknologier til ikke kun at producere gødning, men brændstoffer og andre vitale industrikemikalier.

"En rød tråd på tværs af disse projekter er behovet for at identificere katalysatorer, der kan fremme kemiske processer drevet af sollys, i stedet for at stole på de fossile brændstoffer, der nu almindeligvis bruges som energikilder, og tit, som råstof til reaktioner, siger Norskov, en professor i kemiteknik og fotonvidenskab ved Stanford.

Katalysatorer - forbindelser, der ansporer reaktioner uden at blive indtaget - har været brugt i industriel skala i mere end et århundrede. Dagens gødning stammer sædvanligvis fra petrokemikalier gennem en energikrævende proces, der er afhængig af katalysatorer for at fremskynde reaktioner, der opstår under høje tryk og temperaturer. Udvikling af en lavenergi, solbaseret proces til fremstilling af nitrogengødning kan gavne milliarder af mennesker, især dem i udviklingslandene. Men for at komme dertil bliver SUNCAT -forskere nødt til at bryde jorden inden for videnskaben om katalyse.

"Vi kender ingen menneskeskabte katalysatorer, der kan gøre, hvad vi har brug for, "Norskov siger." Vi bliver nødt til at designe dem. "

Kvælstof og liv

Kvælstof er bogstaveligt talt vævet ind i livets stof. Gennem kemiske kombinationer med kulstof, brint og ilt, nitrogen hjælper med at danne aminosyrer, som selv er byggestenene til proteiner, den alsidige familie af molekyler, der er afgørende for alle levende ting. Vi kan takke jordbakterier for at gøre nitrogen brugbart. Over tid udviklede mikroorganismer et biokemisk økosystem for at udtrække nitrogen fra atmosfæren og kombinere det med brint fra vand til dannelse af forbindelser som ammoniak, der kan absorberes af planter, fremme deres vækst og kanalisere denne atmosfæriske gas til fødekæden.

Vi ved ikke, hvornår landmænd først opdagede fordelene ved befrugtning, men praksis er gammel. Moderne undersøgelser af jordbunden omkring neolitiske bosættelser tyder på, at så tidligt som 6, For 000 år siden, landmænd søgte at øge udbyttet ved at befrugte afgrøder med animalsk affald-nu kendt for at indeholde nitrogenholdigt urinstof (ammoniak plus kulstof). Andre traditionelle befrugtningsmetoder har inkluderet dyrkning af afgrøder som kløver og lucerne, der er gode til at fiksere brugbart nitrogen i jorden, eller bare lade marker ligge brak for at lade jordbakterier genopbygge naturens forsyning. Over tid, efterhånden som befolkningen voksede og flyttede til byer, industrier opstod for at forsyne landmænd med nitrogenbaseret gødning. Til tider involverede dette at sende skibe til at øse fuglguano -aflejringer fra fjerntliggende øer, eller minedriftskemikalier som natriumnitrat eller ammoniumsulfat, der kan raffineres til plantevækstadditiver.

I det første årti af det 20. århundrede, imidlertid, befolkningstilvækst truede med at overskatte sådanne metoder. Det var på dette afgørende tidspunkt, at den tyske kemiker Fritz Haber, arbejder med kemiingeniør Carl Bosch, opdaget, hvordan man masseproducerer ammoniak i gigantiske kar med naturgas, som var procesens udgangspunkt eller råstof. Under ekstremt tryk og varme, kemiske katalysatorer kan knække naturgasmolekyler, frigørelse af hydrogenatomerne og forbinder dem med nitrogen fra luft til dannelse af NH3, eller syntetisk ammoniak, der let kunne absorberes af planter. Haber-Bosch-teknologien er blevet hyldet som en af ​​de vigtigste opdagelser i det 20. århundrede.

"Vi fodrer verden bogstaveligt talt med gødning, der stammer fra Haber-Bosch-processen, ”Siger Norskov.

Skala og miljøpåvirkning

Tom Jaramillo, vicedirektør for SUNCAT Center og medlem af nitrogensynteseprojektet, sætte årlig gødningsproduktion i perspektiv.

"Hvert år producerer vi mere end 20 kilo ammoniak pr. Person for hver person på planeten, og det meste af den ammoniak bruges til gødning, "siger Jaramillo, en lektor i kemiteknik og fotonvidenskab ved Stanford.

Men denne massive gødningsproduktion har flere omkostninger, starter med produktionen. På grund af den varme og det tryk, der kræves af Haber-Bosch-processen, ammoniakkatalyse tegner sig for cirka 1% af al global energiforbrug. Oven i købet, mellem 3% og 5% af verdens naturgas bruges som råstof til tilvejebringelse af brint til ammoniaksyntese.

Så kommer miljøomkostningerne. Dagens gødning masseproduceres i centraliserede planter, leveres til gårde og administreres ved hjælp af mekaniserede spredere. Regn og kunstvanding kan vaske overskydende gødning i vandløb, floder og kystnære vandveje. Akkumuleringer af gødningsafstrømning kan anspore hypervæksten af ​​vandbårne planter, skabe en negativ miljøspiral, hvor planterne kan kvæle havlivet for at skabe "døde zoner" i floder, søer og saltvandsbugter.

SUNCAT -forskere sigter mod at give fordelene ved befrugtning uden nogen af ​​disse omkostninger. Ideen er at erstatte den centraliserede, fossil-brændstof baseret Haber-Bosch proces med et distribueret netværk af ammoniak-on-demand produktionsmoduler kører vedvarende energi. Disse moduler ville bruge solenergi til at trække nitrogen fra atmosfæren og også til at katalysere splittelsen af ​​vandmolekyler for at få brint og ilt. De katalytiske processer ville derefter forene et nitrogenatom til tre hydrogenatomer for at producere ammoniak, med ilt som affaldsprodukt.

"Vi vil udnytte solenergi i nærvær af korrekt designet katalysatorer for at skabe ammoniak lige i landbrugsmarkerne, "Norskov siger." Betragt det som en drypvandingsmetode til syntetisering af ammoniak, hvor det perkolerer ind i afgrødernes rødder. "

This effort comes as attention is being focused on industrialized agriculture's heavy reliance on fossil fuels and the many environmental ramifications of that dependence.

"You won't need tremendous quantities of fossil fuels as an ammonia feedstock, or to drive the trucks that deliver the fertilizers or the tractors that apply it, " Norskov says. "And you won't have a problem with excess application and fertilizer runoff, because virtually all the fertilizer that is produced will be consumed completely by the crops."

Such a process would have a global payoff. In the developed economies with mechanized agriculture, solar-based nitrogen catalysis would deliver fertilizers with dramatically lower environmental costs. In regions like sub-Saharan Africa, where depleted soils have stymied efforts at sustainable agriculture and reforestation, a solar-based fertilization technology could help subsistence farmers boost crop yields and alleviate hunger.

Next-generation catalysis

Developing a solar-powered technology to produce nitrogen-based fertilizers is an enormous challenge that begins with designing the necessary catalysts.

"It is remarkable how much economic and industrial activity depends on catalysis and how little this is appreciated, " Norskov says.

Catalysts are chemistry's multitaskers:They must target specific molecules, break certain chemical bonds and, often, create new bonds to remake from the atomic jumble whatever end molecule is desired. It is understandably rare to find a chemical agent that can perform all this breaking and making without becoming exhausted – in this case a technical reference to the fact that a catalyst must carry out these chemical reactions without changing the atomic structure that enabled it to perform its multitasking magic in the first place.

"While the catalyst must bind strongly enough to the target molecule to do the work required, it also has to release the end product, " says Stacey Bent, a professor of chemical engineering at Stanford and key member of the SUNCAT team. "We have to design catalysts that can make and break bonds with atomic precision, and we have to ensure these materials can be mass produced at the necessary scales and price points, and are durable and simple to use in the fields."

This is especially true in the case of the fertilizer-production process envisioned here, Jaramillo explains, because of the complexity of the process.

"We have to design a series of reactions to cleave the nitrogen molecule from air, separate the hydrogen from water and combine them to form ammonia, with the only input energy coming from solar power, " Jaramillo says, tilføjer, "We're really just at the beginning."

Beregning, visualization, experimentation

The close working relationship between Stanford engineers and researchers at the SLAC National Accelerator Laboratory is an important part of the story.

SLAC particle accelerators and imaging technologies can capture and visualize chemical reactions at the atomic scale. At, in combination with SLAC's computational assets, will allow the SUNCAT team to use a variety of techniques, including artificial intelligence, machine learning and simulation, to identify promising materials, and then predict how slight alterations to their atomic structures might optimize them for use as catalysts.

"We plan to simulate the properties of materials that could perform the necessary reactions, " says Bent, "and then come up with a short list of the best candidates for experimentalists to synthesize and test."

The magnitude of the task requires a wide range of talents. In addition to Norskov, Jaramillo and Bent, other participating Stanford researchers include chemical engineering faculty Zhenan Bao and Matteo Cargnello. SLAC collaborators include Thomas Bligaard, senior staff scientist and deputy director of theory at SUNCAT, and staff scientist Frank Abild-Pedersen. A group of Danish researchers led by professor Ib Chorkendorff at the Technical University of Denmark are key members of the project.

"We are part of a very strong team, attacking some of the biggest challenges in chemistry, chemical engineering and sustainability, " says Jaramillo.

The ultimate goal is to create a catalytic process that can spur the various ammonia-producing chemical reactions with no inputs other than air, water and sunlight. I øvrigt, these inexhaustible catalysts, and indeed every component in these ammonia-production modules, must be inexpensive to mass produce, durable in the field and easy to operate. It's a tall order but the potential payoff is huge.

"Sustainable nitrogen production will only become possible with the cross-disciplinary collaboration of people working in fields such as materials science, chemical engineering and computer science, " Bent says. "It could literally change the world."

If the project's goal seems worth the effort, the same is true for its research methodology. Team-based discovery that combines theoretical insight, atomic-level visualization and computational simulation can be applied to designing other sustainable processes to create fuels and industrial chemicals, as envisioned by the broader Villum initiative.

Norskov framed that broader objective against the backdrop of global warming in a recent paper co-authored with Arun Majumdar, a professor of mechanical engineering at Stanford, co-director of the Precourt Institute for Energy and former founding director of the Advanced Research Projects Agency–Energy.

In an essay for the Scientific Philanthropy Alliance, Norskov and Majumdar posit that civilization has reached the point at which the technologies that have allowed our population to grow may now threaten life's underpinnings. The essential challenge of the 21st century is to develop new technologies that meet human needs in ways that are environmentally sustainable.

"Essentially we are attempting to restore the balance in the Earth's carbon and nitrogen cycles that has been lost through the exponential increase in the demand for food and fossil fuels, " Norskov and Majumdar write, tilføjer, "The time to act is now."