Ny reaktion kan udløse en alternativ tilgang til ammoniakproduktion

Søgningen efter en mere energieffektiv og miljøvenlig metode til ammoniakproduktion til gødning har ført til opdagelsen af ​​en ny type katalytisk reaktion.

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory brugte nanoskala pigge af kulstof til at katalysere en reaktion, der genererer ammoniak fra nitrogen og vand, hjulpet af lithiumsalt og påføring af et elektrisk felt. Studiet, udgivet i Videnskabens fremskridt , afslører en type katalysator, der er blevet teoretisk foreslået, men aldrig demonstreret.

"Det er en katalysator, der fungerer fuldstændigt baseret på det elektriske felt; dette er aldrig blevet observeret for nitrogen, " sagde ORNLs Adam Rondinone, undersøgelsens hovedforfatter. "Vi kalder det en fysisk katalysator - normalt er en katalysator kemisk."

Ammoniak, en forbindelse lavet af et nitrogenatom og tre hydrogenatomer, produceres typisk gennem den energitunge Haber-Bosch tilgang. Denne proces bruger høj temperatur og tryk til at splitte de stabile bindinger af molekylært nitrogen, kræver store mængder naturgas. Industriel produktion af ammoniak bruger anslået 3 procent af verdens energi og genererer 3 til 5 procent af verdens drivhusgasemissioner.

"Ammoniakproduktion er et stort problem, som vi skal finde måder at løse, " sagde Rondinone. "I jagten på dette mål, vi har opdaget en reaktionsmekanisme, der giver os en ny vej."

I modsætning til Haber-Bosch, holdets proces foregår ved stuetemperatur i en opløsning af vand, opløst nitrogengas og lithiumperchloratsalt, ved hjælp af en unik katalysator i form af nanoskala carbon pigge. Disse pigge, kun 50-80 nanometer i længden og en nanometer bred ved spidsen, fungere som hot spots for at forstærke det elektriske felt og tiltrække positivt ladede lithiumioner. Lithium antages at trække med nitrogenmolekyler, som koncentrerer sig omkring de elektrificerede kulstofspidser og begynder at reagere for at danne ammoniak.

"Enhver normal katalysator fungerer ved at danne en kemisk binding mellem det reaktive molekyle og katalysatoroverfladen. I dette tilfælde, der er ingen kemisk binding nødvendig. Det er simpelthen det høje elektriske felt, der tillader reaktionen at fortsætte, " sagde Rondinone.

Reaktionens lave udbytte - omkring 12 procent - begrænser dens levedygtighed til industriel brug, men opdagelsen af ​​dens unikke elektrokemi kan hjælpe med at udvikle alternative tilgange til ammoniakdannelse.

Forskerne brugte også beregningsmodellering og simulering til at forstå deres eksperimentelle resultater. De beregnede teoretiske forudsigelser af det elektriske felt, berigelse af ioner omkring kulstofspidserne og nitrogenets molekylære orbitalenergier for at beskrive, hvordan molekylerne destabiliseres i det elektriske felt.

"På grund af de skarpe nanospidser, det lokale elektriske felt er virkelig meget stærkt, i størrelsesordenen 10 volt pr. nanometer, " sagde ORNL-teoretiker Jingsong Huang. "Vi udførte beregninger for at studere ioniseringspotentialet og elektronaffiniteten af ​​nitrogen under påførte elektriske felter, og disse beregninger tyder på, at ellers inert nitrogen bliver reaktivt."

Undersøgelsen er offentliggjort som "A Physical Catalyst for the Electrolysis of Nitrogen to Ammonia."

Medforfattere er ORNL's Yang Song, Daniel Johnson, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Jingsong Huang, Arthur Baddorf, Timothy Tschaplinski, Nancy Engle, Zili Wu, David Cullen, Harry Meyer III, Bobby Sumpter og Adam Rondinone, Virginia Techs Fengchang Yang, Fei Zhang og Rui Qiao, og Georgia Techs Marta Hatzell.