Udforskning af grønnere tilgange til nitrogenfiksering

Omkring halvdelen af ​​kvælstoffet i vores kroppe i dag kommer fra bakterier via enzymet nitrogenase, som konverterer, eller "retter, " ureaktiv nitrogengas i atmosfæren til en form, som planter kan bruge til vækst. Den anden halvdel produceres kunstigt gennem en energikrævende industriel proces udviklet for mere end 100 år siden. Denne proces, kaldet Haber-Bosch (H-B) efter de to kemikere, der udviklede det, producerer ammoniak ved at bruge jernbaserede katalysatorer til at fremme reaktionen af ​​nitrogen fra luften og brint, der primært stammer fra metan. Gennem en anden kemisk proces (Ostwald), ammoniakken bliver oxideret (reagerer med oxygen) for at producere salpetersyre - en vigtig gødningsingrediens.

Mens H-B-processen revolutionerede vores evne til at dyrke fødevarer, det er i høj grad drevet af brugen af ​​fossile brændstoffer, forbruger omkring to procent af den globale energi. Det bidrager også massivt til drivhusgasemissioner, frigivelse af to procent af den globale kuldioxid.

En køreplan for forskning i kvælstofkemi

At finde mere miljø- og energivenlige veje til omdannelse af kvælstof vil kræve udvikling af nye katalysatorer for at fremskynde de kemiske reaktioner og vedvarende energikilder til at drive disse reaktioner. I oktober 2016 US Department of Energy (DOE) Office of Science sponsorerede en to-dages workshop for nationale laboratorie- og universitetsforskere med den relevante ekspertise til at fokusere på udfordringerne og mulighederne ved nitrogenaktivering. En anmeldelsesartikel, primært baseret på præsentationer og diskussioner fra denne workshop, blev offentliggjort den 25. maj i tidsskriftet Videnskab .

"Artiklen giver en køreplan for grundlæggende forskning i nitrogentransformationsreaktioner, " sagde den første og medkorresponderende forfatter Jingguang Chen, en senior kemiker ved DOE's Brookhaven National Laboratory og Thayer Lindsley professor i kemiteknik ved Columbia University. "Mange af disse reaktioner kan forekomme under relativt milde forhold - uden de høje temperaturer eller tryk, der kræves i H-B - men udfordringen er at identificere katalysatorer, der er aktive, selektiv, og stabil." Chen; co-korresponderende forfatter Richard Crooks, Robert A. Welch-lærestolen i materialekemi ved University of Texas i Austin; og Lance Seefeldt, en professor i afdelingen for kemi og biokemi ved Utah State University, foreslog i fællesskab emnet og var medformand for workshoppen.

Forskning i alternative veje til omdannelse af kvælstof uden brug af fossile brændstoffer som energikilde begynder med en analyse af termodynamik. For at nitrogengas skal reduceres eller oxideres, den meget stabile tredobbelte binding, der holder de to nitrogenatomer tæt sammen, skal brydes.

"Før man prøver at finde nye katalysatorer med de passende egenskaber, vi er nødt til at bestemme, om reaktionsvejene for de alternative ruter er energetisk gennemførlige, " forklarede medforfatter og Brookhaven Lab-kemiker Sergei Lymar. "Der findes mange termodynamisk gennemførlige ruter, men de er stort set blevet overset i de sidste 100 år, fordi H-B har haft så stor succes. Selvom der ikke er nogen garanti for, at vi vil være i stand til at køre disse reaktioner i stor skala, de termodynamiske beregninger giver os et udgangspunkt, hvorfra vi kan screene potentielle katalytiske materialer."

Mulige veje til omdannelse af nitrogen

Science artiklen beskriver flere alternative processer til oxidative og reduktive nitrogenomdannelser. På reduktionssiden, en mulighed er at erstatte metan med vand som brintkilde i H-B processen. En katalysator kunne spalte vand til brint og oxygen, ved at bruge energi genereret af solpaneler eller vindmøller. En anden idé er at eliminere H-B processen helt, i stedet for direkte at producere ammoniak i elektrokemiske celler med elektrokatalysatorer eller fotokatalysatorer (lysfølsomme materialer) ved elektroderne. Cellerne kunne være drevet af vedvarende energi eller endda nitrogenfikserende bakterier.

"Elektrokemiske transformationer er i sig selv rene, " sagde Crooks. "Men den begrænsede mængde forskning, der har været rettet mod nitrogens elektrokemi, har virkelig ikke engang fastlagt en klar retning for fremtidige undersøgelser."

Forskere forsøger også at forstå, hvordan nitrogenase virker ved lave temperaturer og tryk og uden brintgas. Hvis de kan efterligne funktionen af ​​dette enzym, de kunne designe nye molekylære nitrogen-reduktionskatalysatorer, der fungerer under mindre barske forhold end H-B.

Sådanne bæredygtige tilgange ville gøre det muligt at producere ammoniak på en distribueret måde i stedet for gennem de centraliserede H-B-faciliteter, der i øjeblikket findes. Denne distribuerede produktion er især vigtig i udviklingslande, der står over for hurtig befolkningstilvækst, men som ikke har tilstrækkelig kapital til at bygge store kemiske anlæg og infrastrukturen til at transportere gødning. Hvis der installeres solpaneler i nærheden af ​​landbrugsmarker, for eksempel, energien fra sollys kunne skabe de energiske elektroner, der er nødvendige for at reducere nitrogen til ammoniak, hvis passende katalysatorer er tilgængelige.

På oxidationssiden, forskere undersøger den direkte reaktion mellem nitrogen og oxygengas for at producere salpetersyre. Næsten alle de 50 millioner tons salpetersyre, der produceres årligt, fremstilles indirekte gennem Ostwald-processen ved oxidation af H-B-genereret ammoniak.

"Den nuværende måde, salpetersyre produceres på, er en slags baglæns fra et elektronstrømssynspunkt, " sagde Lymar. "Først, nitrogen reduceres helt til ammoniak og derefter oxideres ammoniak helt til salpetersyre, spænder over alle nitrogens otte oxidationstilstande. Det ville være mere praktisk at oxidere nitrogen direkte med oxygen, men denne reaktion bliver kun spontan ved ekstreme temperaturer."

En idé til at overvinde dette problem er at oxidere nitrogen ved lav temperatur, ikke-termiske plasmaer - svagt ioniserede gasser, der indeholder "varme" energiske elektroner og molekyler nær stuetemperatur, atomer, og ioner. Ved vibrationsspænding af nitrogenmolekyler, ikke-termiske plasmaer kan hjælpe katalysatorer med at accelerere oxidationsreaktionen.

Artiklen beskriver også tilgange til at reducere luftforurenende nitrogenoxider. Disse gasser dannes, når nitrogen og ilt reagerer under forbrænding. Udstødningen fra køretøjer er en vigtig kilde til nitrogenoxider, som bidrager til dannelsen af ​​smog og sur regn. Visse bakterier har enzymer, der reducerer nitrogenoxider til nitrogengas, og disse denitrificerende bakterier vil sandsynligvis være en inspirationskilde for forskere, der søger at designe nye katalysatorer til miljøbeskyttelse.

"Fremskridt på et hvilket som helst af disse områder vil kræve en forståelse på molekylært niveau af naturlige og kunstige nitrogentransformationsreaktioner, " sagde Chen. "Målet med denne artikel er at give retningslinjer for grundforskning, forhåbentlig fører til udvikling af simple, lavenergiveje til at manipulere nitrogens redoxtilstande."