Ny proces kan reducere energibehovet fra gødning, nitrogenbaserede kemikalier

Kvælstofbaseret kunstgødning danner rygraden i verdens fødevareforsyning, men dets fremstilling kræver en enorm mængde energi. Nu, computermodellering ved Princeton University peger på en metode, der drastisk kan reducere den nødvendige energi ved at bruge sollys i fremstillingsprocessen.

Producenter fremstiller i øjeblikket gødning, lægemidler og andre industrikemikalier ved at trække nitrogen fra luften og kombinere det med brint. Nitrogengas er rigelig, udgør omkring 78 procent af luften. Men atmosfærisk nitrogen er svært at bruge, fordi det er låst i par atomer, kaldet N ₂ , og bindingen mellem disse to atomer er det næststærkeste i naturen. Derfor kræver det meget energi at opdele N ₂ molekyle og tillade nitrogen- og brintatomer at kombinere. De fleste producenter bruger Haber-Bosch-processen, en århundrede gammel teknik, der afslører N ₂ og hydrogen til en jernkatalysator i et kammer opvarmet til mere end 400 grader Celsius. Metoden bruger så meget energi, at Videnskab bladet rapporterede, at fremstilling af gødning og lignende forbindelser udgør omkring 2 procent af verdens energiforbrug hvert år.

Et forskerhold ledet af Emily Carter, Princetons dekan for teknik og Gerhard R. Andlinger -professoren i energi og miljø, ville vide, om det ville være muligt at bruge lys til at svække bindingen i det atmosfæriske nitrogenmolekyle. Hvis så, det ville give producenterne mulighed for radikalt at reducere den energi, der er nødvendig for at dele nitrogen til brug i gødning og en lang række andre produkter.

"Udnytter energien i sollys for at aktivere inerte molekyler som nitrogen, og drivhusgasser metan og kuldioxid for den sags skyld, er en stor udfordring for bæredygtig kemisk produktion, "sagde Carter, som er professor i mekanik og rumfartsteknik og i anvendt og beregningsmatematik. "Udskiftning af traditionel energikrævende høj temperatur, højtryks kemisk fremstilling med sollys-drevet, rumtemperaturprocesser er en anden måde at reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer. "

Forskerne var interesserede i at drage fordel af lysets unikke adfærd, når det interagerer med metalliske nanostrukturer, der er mindre end en enkelt bølgelængde af lys. Blandt andre effekter, fænomenet, kaldet overfladeplasmonresonans, kan koncentrere lys og forbedre elektriske felter. Dr. John Mark Martirez, en postdoktoral forsker og medlem af Princeton-forskerholdet, sagde, at forskerne mente, at det ville være muligt at bruge plasmonresonanser til at øge en katalysators evne til at splitte nitrogenmolekyler fra hinanden.

"Det er en anden metode til at levere energi til at bryde bindingen, "sagde han." I stedet for at bruge varme, vi bruger lys. "

I en artikel fra 5. januar i tidsskriftet Videnskab fremskridt , forskerne beskriver, hvordan de brugte computersimuleringer til at modellere lysets adfærd i bittesmå strukturer lavet af guld og molybdæn. Guld er en af ​​en klasse af metaller, herunder kobber og aluminium, som kan formes til at producere overfladeplasmonresonanser. Forskerne brugte et sæt computermodelleringsværktøjer til at simulere nanostrukturer lavet af guld, og tilsat molybdæn til dens overflade, som er et metal, der kan splitte nitrogenmolekyler.

"Det plasmoniske metal virker som et lyn, "Sagde Martirez." Den koncentrerer en stor mængde lysenergi i et meget lille område. "

Den koncentrerede lysenergi øger effektivt molybdænets evne til at trække de to nitrogenatomer fra hinanden.

"Lysets interaktion forstørrer det elektriske felt tæt på overfladen af ​​katalysatoren, hvilket hjælper med at bryde båndet, "Sagde Martirez.

Forskernes beregninger indikerer, at plasmon-resonans-teknikken skal kunne reducere den energi, der er nødvendig for at knække de atmosfæriske nitrogenmolekyler, væsentligt. Carter sagde, at modelleringen indikerer, at det burde være muligt at dissociere nitrogenmolekylet ved stuetemperatur og ved lavere tryk end krævet af Haber-Bosch-processen.

Det var udfordrende at simulere processen og samtidig overveje lysets effekt. De fleste computermodeller, der nøjagtigt kan vurdere kemiske reaktioner på molekylært niveau, og redegøre for ændringer forårsaget af lys, kan kun simulere et par atomer ad gangen. Selvom dette er videnskabeligt værdifuldt, det er normalt ikke tilstrækkeligt til at evaluere industrielle processer.

Så forskerne vendte sig til en teknik, der oprindeligt blev udviklet af Carter, der gør det muligt for forskere at bruge meget præcise metoder til modellering af et lille fragment af overfladen og derefter udvide disse resultater for at få en forståelse af et bredere system. Teknikken, kaldet embedded correlated wave function theory, er gentagne gange blevet verificeret og i vid udstrækning brugt inden for Carter -gruppen, og forskerne er sikre på, at det kan anvendes på kvælstofopdelingsproblemet.

Carter sagde, at hendes team samarbejder med Naomi Hallas og Peter Nordlander fra Rice University for at teste plasmon-resonans-teknikken i laboratoriet. Forskerne har tidligere arbejdet sammen om lignende projekter, herunder demonstration af dissociation af brintmolekyler på nanopartikler af rent guld.

Som et næste trin, Carter sagde, at hun gerne ville udvide plasmonresonansteknikken til andre stærke kemiske bindinger. En kandidat er carbon-hydrogenbindingen i methan. Fabrikanter bruger naturgas til at levere brint i gødning samt andre vigtige industrikemikalier. Så at finde en lavenergimetode til at bryde denne binding kan også være en velsignelse for fremstillingen.