Fotokemisk nitrogenfiksering – åbner nye udsigter mod en bæredygtig energifremtid

Hvordan kan en fotokatalysator omdanne nitrogen til ammoniak ved hjælp af vand og lys? Med internationalt samarbejde, forskere fra Kina og Singapore har undersøgt state-of-the-art konstruktion af fotokatalysatorer til nitrogen (N2) fiksering for at forstå ammoniak (NH3) syntese. Arbejdet er blevet rapporteret i Materialer Horisonter .

N2 er en af ​​de mest udbredte gasser på Jorden, omfatter 78 procent af atmosfæren. Alligevel, N2 i gasform kan ikke udnyttes effektivt af de fleste organismer. Derfor, N2 skal være "fast" for at gøre det nyttigt ved at bryde de ultrastærke N≡N-triplebindinger for at omdanne det til en form, der kan forbruges af planter, dyr og mennesker. Til dato, der er to typiske metoder til at realisere fiksering af N2. Den ene er en naturlig og bakteriel proces, og en anden, Haber-Bosch processen, er syntetisk. I de sidste 100 år har N2-omdannelsen har ført til storstilet produktion af gødning og opretholdt forsyningen af ​​fødeindtag til den globale befolkning.

"Haber-Bosch-processen udnytter høje temperaturer og tryk, hvilket nødvendiggør en massiv mængde (omkring 2 procent) af verdens fossile brændstofforsyning. Derfor, vi forestiller os, at en alternativ proces, der anvender nanomaterialer, der absorberer lysenergi for at efterligne den naturlige fotosyntese i planter, kunne tjene som et paradigmeskifte for fiksering af nitrogen, " sagde Dr. Wee-Jun Ong, en forsker fra Institute of Materials Research and Engineering (IMRE).

"Sammenlignet med den termokemiske katalytiske proces, kunstig fotosyntese betragtes som en bæredygtig vej til lagring af vedvarende solenergi i form af energitætte kemiske produkter, "Ong sagde." Den termodynamiske ikke-spontane reaktion kan opnås via en kombination af vandopdeling og N2-reduktion over en fotokatalysator i nærvær af sollys, " forklarede han.

I et nyligt blad, der udkom i Materialer Horisonter , Ong og hans kolleger præsenterer en statusrapport om fotokatalytisk fixering af N2, som naturligt udløses af mikrobers virkning. "Vi klassificerer fotokatalysatorerne baseret på de kemiske sammensætninger, der spænder fra metaloxid til metalsulfid, vismutoxyhalogenider, kulstofholdige nanomaterialer og andre potentielle materialer. Vi fremhæver vigtigheden og forholdet mellem modifikationen - f.eks. nanoarchitecture design, krystalfacet teknik, doping, og heterostrukturering - og indflydelse på den fotokatalytiske aktivitet af de designede katalysatorer, " bemærker Xingzhu Chen, avisens første forfatter, der opsummerer resultaterne.

"At dømme ud fra den eksisterende litteratur i denne forskningsplatform på dette tidspunkt, computerstøttede katalysatorer designet via kvantekemiske beregninger til N2-fotofiksering ville være et robust værktøj til simulering af elektroniske tilstande og reaktionsveje mod fremragende sollysabsorbering og den selektive ydelse af katalyse, " sagde Ong.

Selvom der er mange faktorer, der hindrer spaltningen og hydrogeneringen af ​​N2 på nuværende tidspunkt, reaktionsbetingelserne er blevet mildere med årene - luft og synligt lys blev gradvist adopteret som nitrogen- og lyskilde i stedet for ren nitrogen og ultraviolet (UV) bestråling. Imidlertid, indsigt i den fotokatalytiske reaktionsmekanisme har hidtil været utilstrækkelig, trods kompleksiteten af ​​N2 -fikseringsreaktionen. "Avancerede in situ- eller operando-karakteriseringsteknikker er nødvendige for at undersøge den atomare indsigt i reaktivitet samt for at forstå ladningsbærerdynamikken i exciteret tilstand, " sagde Ong.

Hvad er det næste? Forskere håber at kunne oversætte fra laboratorieniveau til industrielle applikationer, og forstærke udbyttet af katalysatorer, samtidig med at de iboende strukturer bibeholdes til kommercialisering af vedvarende ammoniak.

Dr. Ong sagde, "Når man ser på de langsigtede udsigter, vi er sikre på, at vores arbejde vil give et vigtigt grundlag for den næste forskningsæra, ikke kun i den fotokatalytiske N2-fiksering specifikt, men også i de tværfaglige områder inden for kemi, materialevidenskab, energiomdannelse og energilagring."

Bortset fra solcelledrevet N2-fiksering, Dr. Ong, Prof. Li og deres teams har søgt efter det smarte design af fotokatalysatorer, der kan gøre H2O-spaltning og CO2-reduktion mere effektiv og bæredygtig gennem solenergi via eksperimentelle og beregningsmæssige analyser. Arbejdet med konvertering af sol-til-energibrændstoffer er i gang.