Elektrokemisk fremstillet ammoniak kan revolutionere fødevareproduktionen

Steven McIntosh ønsker at ændre måden, hvorpå ammoniak produceres. Han håber at skabe et levedygtigt alternativ til den konventionelle metode, som bruger enorme mængder energi og afgiver skadeligt kuldioxid. Han undersøger en bæredygtig elektrokemisk metode til effektivt at drive den kemiske reaktion, der producerer ammoniak.

Ammoniak er en farveløs gas, der består af et nitrogen og tre hydrogenatomer. Haber-Bosch-processen-skabt af tyske kemikere Fritz Haber og Carl Bosch i begyndelsen af ​​det 20. århundrede-krediteres med at muliggøre masseproduktion af fødevarer, da ammoniaks vigtigste industrielle anvendelse er i landbruget som gødning.

Haber -processen, som det er almindeligt kendt, kombinerer nitrogen fra luften med brint, der stammer fra naturgas - hovedsagelig bestående af metan - i en kemisk reaktion, der fungerer ved meget højt tryk. I denne konventionelle metode, jern, den anvendte katalysator let "bryder" hydrogenatomerne. Imidlertid, et stort tryk er påkrævet for at "skubbe" nitrogenet til katalysatoren for at anspore reaktionen. Ud over, processen med at generere brint fra metan udsender store mængder af drivhusgassen kuldioxid til atmosfæren.

Ammoniakfremstilling forbruger 1 til 2% af den samlede globale energi og er ansvarlig for cirka 3% af de globale kuldioxidemissioner.

I betragtning af behovet for øget fødevareproduktion som følge af befolkningstilvækst - 2 milliarder mennesker vil blive tilføjet til planeten i 2050 - er det klart, at der skal skabes en bæredygtig metode til fremstilling af ammoniak.

McIntosh udtrykker det mere kortfattet:"Processen med fremstilling af ammoniak er afgørende for menneskelig overlevelse, har ikke ændret sig i mere end hundrede år og er en stor forurener. Det er tid til en forandring. "

McIntosh, professor i kemisk og biomolekylær teknik ved Lehigh University, undersøger en metode til fremstilling af ammoniak, der kan anspore til en sådan ændring ved at bruge elektricitet til at drive den kemiske reaktion. Hans metode ville eliminere behovet for at bruge højt tryk til at bryde nitrogenbindinger. Og, fordi det stammer brint fra vand i stedet for naturgas, der ville ikke være kuldioxidemissioner. Dets vigtigste biprodukt ville være ilt.

McIntosh blev for nylig tildelt et treårigt forskningsstipendium af National Science Foundation (NSF) til støtte for denne forskning. McIntosh vil lede Lehigh -teamet som hovedforsker i tæt samarbejde med et team ved University of Pennsylvania, Professorer Raymond J. Gorte, John M. Vohs og Aleksandra Vojvodic.

I et transformativt paradigmeskift vil McIntosh og hans kolleger undersøge en metode til fremstilling af ammoniak fra brint og nitrogen ved hjælp af en protonledende, keramisk, fast-oxid elektrokemisk celle. Deres centrale hypotese er, at atmosfærisk tryk, ammoniaksyntese kan realiseres ved elektrokemisk at drive hydrogen på katalytiske overflader, der normalt er begrænset af høj nitriddækning.

"Vi planlægger at eksperimentere med forskellige katalysatorer, såsom wolfram, der normalt ville være dækket af nitrogen, forstyrre den balance mellem hydrogen og nitrogen, der er nødvendig for at reaktionen kan finde sted, "siger McIntosh." Vi vil løse denne ubalance ved at anvende et elektrokemisk potentiale til at drive brintet ind på katalysatoroverfladen og danne ammoniak. "

Projektet vil drage fordel af de infiltreringsmetoder, der tidligere er udviklet til elektrodesyntese i faste oxidbrændstofceller, hvilket gør det muligt at anvende en lang række materialer til elektroderne. Teamet vil også undersøge blandede elektronisk-protoniske ledere, der kan tilføjes til elektroden for at forbedre den trefasede grænse, hvor den elektrokemiske reaktion kan forekomme. Valget af elektrokatalysatorer vil blive styret af komplementære teoretiske undersøgelser.

McIntosh beskriver den foreslåede metode som tilføjelse af en "ekstra knap" - elektricitet - til ammoniakproduktionsprocessen.

"I denne metode, brintet kommer fra vand, hvilket gør det til en slags 'omvendt brændselscelle, siger McIntosh.

En brændselscelle kombinerer brint og ilt for at danne vand og skaber i den forbindelse elektricitet. Den foreslåede reaktor vil udnytte elektricitet til at spalte vand til at levere det nødvendige hydrogen til ammoniaksyntese, fjerner behovet for at forbruge naturgas og udsender kuldioxid. Dette projekt vil resultere i små demonstrationsceller, der adskiller brint- og iltatomer, der udgør vand, ved hjælp af brint og udsender ilt.

Ifølge McIntosh, forskere har prøvet lignende ammoniakproduktionsmetoder, men var i stand til at producere meget lidt ammoniak. Når det kommer til ammoniak, evnen til at producere den i industriel skala er det, der betyder noget.

Derfor er et af projektets hovedmål at producere en rimelig ammoniakproduktion. Et andet mål er at demonstrere, hvad McIntosh siger, er denne tekniks potentielle "modularitet".

Ultimativt, denne nye måde at producere ammoniak på kan være en del af en større indsats for at gøre fødevareproduktionen grønnere og mere bæredygtig.

"At lave ammoniak efter den konventionelle metode kræver en enorm energikilde, hvilket betyder, at den skal fremstilles ét sted og derefter sendes - hvilket øger metodens ineffektivitet, "siger McIntosh." Håbet er, at der en dag kan produceres ammoniak på stedet ved hjælp af en modulcelle som den slags, vi udforsker, drives af en lokal elektricitetskilde, såsom solpaneler eller vindmøller. "