At løse et 75-årigt mysterium kan give en ny kilde til husdyrgødning

Løsningen på et 75-årigt materialmysterium kan en dag give landmænd i udviklingslande mulighed for at producere deres egen gødning efter anmodning, ved hjælp af sollys og nitrogen fra luften.

Takket være en specialiseret røntgenkilde ved Lawrence Berkeley National Laboratory, forskere ved Georgia Institute of Technology har bekræftet eksistensen af ​​en lang hypotetiseret vekselvirkning mellem nitrogen og titandioxid (TiO ₂ ) - et almindeligt fotoaktivt materiale også kendt som titania - i nærvær af lys. Den katalytiske reaktion menes at bruge carbonatomer fundet som kontaminanter på titanoxid.

Hvis nitrogenfikseringsreaktionen kan skaleres op, det kan en dag hjælpe med at rense gødningsproduktion i landbrugsskala, der kan reducere afhængigheden af ​​kapitalintensive centraliserede produktionsfaciliteter og dyre distributionssystemer, der øger omkostningerne for landmænd i isolerede områder i verden. Det meste af verdens gødning fremstilles nu ved hjælp af ammoniak fremstillet ved Haber-Bosch-processen, som kræver store mængder naturgas.

"I USA, vi har et fremragende produktions- og distributionssystem til gødning. Imidlertid, mange lande har ikke råd til at bygge Haber-Bosch-anlæg, og har måske ikke engang tilstrækkelig transportinfrastruktur til import af gødning. For disse regioner, fotokatalytisk nitrogenfiksering kan være nyttig til on-demand gødningsproduktion, "sagde Marta Hatzell, en adjunkt i Georgia Tech's Woodruff School of Mechanical Engineering. "Ultimativt, dette kan være en billig proces, der kan stille gødningsbaserede næringsstoffer til rådighed for en bredere vifte af landmænd. "

Hatzell og samarbejdspartner Andrew Medford, en adjunkt i Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering, arbejder sammen med forskere ved International Fertilizer Development Center (IFDC) for at undersøge de potentielle virkninger af reaktionsprocessen. Undersøgelsen blev rapporteret 29. oktober i Journal of the American Chemical Society .

Forskningen begyndte for mere end to år siden, da Hatzell og Medford begyndte at samarbejde om et materialmysterium, der stammer fra et papir fra 1941 udgivet af Seshacharyulu Dhar, en indisk jordforsker, der rapporterede at observere en stigning i ammoniak, der udsendes fra kompost, der blev udsat for lys. Dhar foreslog, at en fotokatalytisk reaktion med mineraler i komposten kunne være ansvarlig for ammoniakken.

Siden det papir, andre forskere har rapporteret nitrogenfiksering på produktion af titania og ammoniak, men resultaterne er ikke konsekvent blevet bekræftet eksperimentelt.

Medford, en teoretiker, arbejdede med forskerassistent Benjamin Comer for at modellere de kemiske veje, der ville være nødvendige for at fikse nitrogen på titania for potentielt at skabe ammoniak ved hjælp af yderligere reaktioner. Beregningerne antydede, at den foreslåede proces var meget usandsynlig på ren titania, og forskerne undlod at vinde et tilskud, de havde foreslået at bruge til at studere den mystiske proces. Imidlertid, de blev tildelt eksperimentel tid på Advanced Light Source ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory, hvilket tillod dem endelig at teste en nøglekomponent i hypotesen.

Specialiseret udstyr på laboratoriet tillod Hatzell og kandidatstuderende Yu-Hsuan Liu at bruge røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) til at undersøge overfladen af ​​titania som nitrogen, vand og ilt interagerede med overfladerne under næsten omgivende tryk i mørket og i lyset. I starten forskerne så ingen fotokemisk nitrogenfiksering, men da eksperimenterne fortsatte, de observerede en unik interaktion mellem nitrogen og titania, når lys blev rettet mod mineraloverfladen.

Hvad var årsagen til den første mangel på resultater? Hatzell og Medford mener, at overfladeforurening med kulstof - sandsynligvis fra et carbonhydrid - er en nødvendig del af den katalytiske proces til nitrogenreduktion på titania. "Inden testning prøverne rengøres for at fjerne næsten alt sporkul fra overfladen, under forsøg kan kulstof fra forskellige kilder (gasser og vakuumkammeret) indføre spormængde kul tilbage på prøven, "Hatzell forklarede." Det, vi observerede, var, at der kun blev påvist reducerede nitrogenarter, hvis der var en grad af kulstof på prøven. "

Kulbrinteforureningshypotesen ville forklare, hvorfor tidligere forskning havde givet inkonsekvente resultater. Kulstof er altid til stede på sporniveauer på titania, men at få den rigtige mængde og type kan være nøglen til at få den hypotese reaktion til at fungere.

"Vi tror, ​​at dette forklarer de forvirrende resultater, der var blevet rapporteret i litteraturen, og vi håber, det giver indsigt i, hvordan man konstruerer nye katalysatorer ved hjælp af dette 75-årige mysterium, "Medford sagde." Ofte er de bedste katalysatorer materialer, der er meget uberørte og fremstillet i et rent rum. Her har du lige det modsatte - denne reaktion har faktisk brug for urenhederne, hvilket kunne være gavnligt for bæredygtige anvendelser i landbruget. "

Forskerne håber at eksperimentelt bekræfte kulstofens rolle med kommende tests på Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), hvilket vil give dem mulighed for direkte at undersøge kulstoffet under den fotokatalytiske nitrogenfikseringsproces. De håber også at lære mere om den katalytiske mekanisme, så de bedre kan kontrollere reaktionen for at forbedre effektiviteten, som i øjeblikket er under en procent.

Forskningen rapporteret i tidsskriftet måler ikke ammoniak, men Hatzell og hendes elever har siden opdaget det i laboratorieskala test. Fordi ammoniakken i øjeblikket produceres på så lave niveauer, forskerne var nødt til at tage forholdsregler for at undgå ammoniakbaseret kontaminering. "Selv tape, der bruges på udstyr, kan skabe små mængder ammoniak, der kan påvirke målingerne, "Tilføjede Medford.

Selvom mængderne af ammoniak produceret ved reaktionen i øjeblikket er lave, Hatzell og Medford mener, at med procesforbedringer, fordelene ved gødningsproduktion på stedet under godartede forhold kunne overvinde denne begrænsning.

"Selvom det i første omgang måske lyder latterligt i et praktisk perspektiv, hvis du rent faktisk ser på problemets behov og det faktum, at sollys og nitrogen fra luften er gratis, på en omkostningsbasis begynder det at se mere interessant ud, "Medford sagde." Hvis du kunne drive et produktionsanlæg i mindre skala med ammoniak med kapacitet nok til en gård, du har straks gjort en forskel. "

Hatzell krediterer banebrydende overfladevidenskab med endelig at give en forklaring på mysteriet.

"Siden tidligere efterforskere så på dette, der er sket betydelige fremskridt inden for måling og overfladevidenskab, "sagde hun." De fleste overfladevidenskabelige målinger kræver brug af ultrahøje vakuumforhold, der ikke efterligner det katalytiske miljø, du har til hensigt at undersøge. Det næsten omgivende tryk XPS på Lawrence Berkeley National lab, tillod os at tage et skridt tættere på at observere denne reaktion i sit oprindelige miljø. "