Ammoniak on-demand? Alternativ produktionsmetode for en bæredygtig fremtid

Vores samfund har mere end nogensinde brug for ammoniak. Kemisk gødning, plast, fibre, lægemidler, kølemidler i varmepumper, og endda sprængstoffer bruger alle ammoniak som råmateriale. I øvrigt, ammoniak er blevet foreslået som en brintbærer for nylig på grund af dets høje brintindhold.

I Haber-Bosch-processen, som er den vigtigste metode til ammoniaksyntese, nitrogen reagerer med brint ved hjælp af en metalkatalysator for at producere ammoniak. Imidlertid, denne industrielle proces udføres ved 200 atm og høje reaktionstemperaturer på næsten 500°C. Derudover ammoniakproduktion kræver meget naturgas, så forskere har ledt efter alternative metoder til bæredygtigt at syntetisere ammoniak ved lav temperatur.

I en nylig undersøgelse, forskere fra Waseda University og Nippon Shokubai Co. Ltd. opnåede en højeffektiv ammoniaksyntese ved lav temperatur, med det højeste udbytte, der nogensinde er rapporteret.

"Ved at påføre et elektrisk felt på katalysatoren brugt i vores eksperiment, vi opnåede en effektiv, småskalaproces til ammoniaksyntese under meget milde forhold, " siger professor Yasushi Sekine fra Waseda University. "Ved at bruge denne nye metode, vi kan indsamle meget ren ammoniak som komprimeret væske og åbne døre til udvikling af on-demand ammoniakproduktionsanlæg, der kører på vedvarende energi."

Denne forskning blev offentliggjort i Kemisk Videnskab .

I 1972, ruthernium (Ru) katalysator med alkalimetaller viste sig at sænke de reaktionstemperaturer og -tryk, der er nødvendige for Haber-Bosch-behandling, og forskellige metoder er blevet foreslået siden denne opdagelse. Desværre, ammoniaksyntesehastigheden blev hindret af kinetiske begrænsninger.

"Vi anvendte et elektrisk jævnstrømsfelt på Ru-CS-katalysatoren til vores ammoniaksyntese. Vores forskergruppe opnåede bemærkelsesværdigt højt ammoniakfelt på ca. 30 mmol gcat-1h-1 med høj produktionsenergieffektivitet. For ikke at nævne, dette blev gjort ved lave reaktionstemperaturer og tryk fra atmosfærisk til 9 atm. som er kinetisk kontrollerbar. Energiforbruget til at producere ammoniak var også meget lavt."

Hvordan forskerne var i stand til at opnå sådanne resultater, kunne forklares med en mekanisme kaldet overfladeprotonhopping, en unik overfladeledning udløst af et elektrisk felt.

"Vores eksperimentelle undersøgelser, inklusive elektronmikroskopobservation, infrarøde spektroskopiske målinger, og isotopudvekslingstest ved hjælp af nitrogengas, bevise, at protonhop spiller en vigtig rolle i reaktionen, da det aktiverer nitrogengas selv ved lave temperaturer og modererer de hårde krav, " forklarer professor Sekine.

Den nye teknik adresserer også forhindringer i konventionel ammoniaksyntese, såsom brintforgiftning af Ru-katalysatorer og forsinkelse i nitrogendissociation. Desuden, forskningsresultaterne tyder på, at mindre skala, mere dispergeret ammoniakproduktion kunne realiseres, og det bliver muligt at bygge højeffektive ammoniakanlæg, der kører på vedvarende energi. Sådanne ammoniakanlæg forventes at producere 10 til 100 tons ammoniak om dagen. Professor Sekine mener, at deres resultater vil være vigtige for fremtidens energi- og materialekilder.