Gør ammoniak grønnere

Ammoniak, en forbindelse først syntetiseret for omkring et århundrede siden, har snesevis af moderne anvendelser og er blevet afgørende i fremstillingen af ​​den gødning, der nu opretholder det meste af vores globale fødevareproduktion.

Men mens vi har produceret ammoniak i stor skala siden 1930'erne, det er hovedsageligt blevet opnået i store kemiske anlæg, der kræver enorme mængder brintgas fra fossile brændstoffer - hvilket gør ammoniak til blandt de mest energikrævende blandt alle kemikalier i store mængder.

Et par forskere ved Case Western Reserve University - en ekspert i elektrokemisk syntese, den anden i applikationer af plasmaer - arbejder på at fikse det.

Forskerne Julie Renner og Mohan Sankaran har fundet på en ny måde at skabe ammoniak fra nitrogen og vand ved lav temperatur og lavt tryk. De har gjort det med succes indtil videre i et laboratorium uden at bruge brint eller den faste metalkatalysator, der er nødvendig i traditionelle processer.

"Vores tilgang - en elektrolytisk proces med et plasma - er helt ny, " sagde Mohan Sankaran, Goodrich Professor of Engineering Innovation ved Case School of Engineering.

Plasma, ofte omtalt som materiens fjerde tilstand (bortset fra fast, væske eller gas), er ioniserede gasskyer, bestående af positive ioner og frie elektroner, som giver det den unikke evne til at aktivere kemiske bindinger, inklusive det ret udfordrende nitrogenmolekyle, ved stuetemperatur.

Renner, en Climo-adjunkt i afdelingen for kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab, tilføjede, at fordi denne nye proces ikke kræver højt tryk eller høj temperatur eller brint, det gør det skalerbart - "den ideelle form for teknologi til et meget mindre anlæg, en med stort potentiale til at blive drevet af vedvarende energi."

Resultaterne af deres to-årige samarbejde blev offentliggjort i denne måned i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Historielektion:Haber-Bosch-processen

Stort set al kommerciel ammoniak er lavet af nitrogen og brint, ved anvendelse af en jernkatalysator ved høj temperatur og tryk.

Den tyske fysiske kemiker Fritz Haber modtog Nobelprisen i kemi i 1918 for at udvikle denne proces, hvilket gjorde det økonomisk muligt at fremstille ammoniak.

Men processen blev mere økonomisk rentabel, da industrikemikeren Carl Bosch (som også vandt en Nobelpris i 1931) bragte metoden ind i et storstilet system. Processen blev yderligere drevet frem af en anden innovation:udviklingen af ​​damp-metan-reformering, der gjorde brint mere tilgængeligt og billigere.

Så, det, der blev kendt som Haber-Bosch-processen, blev den globale metode til at fiksere nitrogen og brint til at lave ammoniak.

Men Haber-Bosch var aldrig den eneste tilgang til nitrogenfiksering, det var bare århundredskiftets vinder.

En ny, gammel metode stiger

Renner og Sankaran har genoplivet et grundstof fra en lidet kendt norsk metode, der gik forud for Haber-Bosch (Birkeland-Eyde-processen), som reagerede nitrogen og oxygen for at producere nitrater, et andet kemikalie, der kan bruges i landbruget. Den proces tabte for Haber-Bosch, mest fordi den krævede endnu mere energi i form af elektricitet, en begrænset ressource i begyndelsen af ​​det 20. århundrede.

"Vores tilgang ligner elektrolytisk syntese af ammoniak, som har fået interesse som et alternativ til Haber-Bosch, fordi det kan integreres med vedvarende energi, " sagde Sankaran. "Men, ligesom Birkeland-Eyde processen, vi bruger et plasma, som er energikrævende. Elektricitet er stadig en barriere, men mindre nu, og med stigningen i vedvarende energi, det er måske slet ikke en barriere i fremtiden.

"Og måske vigtigst, vores proces producerer ikke brintgas, " sagde han. "Dette har været den største flaskehals i andre elektrolytiske tilgange til at danne ammoniak fra vand (og nitrogen), den uønskede dannelse af brint."

Renner-Sankaran-processen bruger heller ikke en fast metalkatalysator, der kan være en af ​​grundene til, at ammoniak opnås i stedet for brint.

"I vores system, ammoniakken dannes ved grænsefladen mellem en gasplasma og flydende vandoverflade og dannes frit i opløsning, " sagde Sankaran.

Indtil nu, de "bord-top batches" af ammoniak produceret af duoen har været meget små, og energieffektiviteten er stadig mindre end Haber-Bosch. Men med fortsat optimering, deres opdagelse og udvikling af en ny proces kan en dag føre til mindre, mere lokaliserede ammoniakanlæg, som bruger grøn energi.