Forskere renser dramatisk op i ammoniakproduktionen og reducerer omkostningerne

Ammoniak - en farveløs gas, der er afgørende for ting som gødning - kan fremstilles ved en ny proces, som er langt renere, nemmere og billigere end den nuværende førende metode. UTokyo-forskere bruger let tilgængeligt laboratorieudstyr, genanvendelige kemikalier og et minimum af energi til at producere ammoniak. Deres Samarium-Water Ammonia Production (SWAP)-proces lover at nedskalere ammoniakproduktionen og forbedre adgangen til ammoniakgødning til landmænd overalt.

I 1900, den globale befolkning var under 2 milliarder, hvorimod i 2019, det er over 7 mia. Denne befolkningseksplosion blev til dels drevet af hurtige fremskridt inden for fødevareproduktion, især den udbredte brug af ammoniakbaserede gødninger. Kilden til denne ammoniak var Haber-Bosch-processen, og selvom nogle siger, at det er en af ​​de mest betydningsfulde præstationer nogensinde, det kommer med en høj pris.

Haber-Bosch-processen konverterer kun 10 procent af sit kildemateriale pr. cyklus, så det skal køre flere gange for at bruge det hele. Et af disse kildematerialer er brint (H ₂ ) produceret ved hjælp af fossile brændstoffer. Dette er kemisk kombineret med nitrogen (N ₂ ) ved temperaturer på omkring 400-600 grader Celsius og tryk på omkring 100-200 atmosfærer, også til store energiomkostninger. Professor Yoshiaki Nishibayashi og hans team fra University of Tokyos afdeling for systeminnovation håber at kunne forbedre situationen med deres SWAP-proces.

"I hele verden, Haber-Bosch-processen bruger 3 til 5 procent af al produceret naturgas, omkring 1 eller 2 procent af verdens samlede energiforsyning, " forklarede Nishibayashi. "I modsætning hertil, bælgplanter har symbiotiske nitrogenfikserende bakterier, der producerer ammoniak ved atmosfæriske temperaturer og tryk. Vi isolerede denne mekanisme og reverse engineering af dens funktionelle komponent - nitrogenase."

Gennem mange år, Nishibayashi og hans team brugte laboratoriefremstillede katalysatorer til at forsøge at reproducere den måde, nitrogenase opfører sig på. Andre har prøvet, men deres katalysatorer producerer kun snesevis til flere hundrede ammoniakmolekyler, før de udløber. Nishibayashis specielle molybdæn-baserede katalysator producerer 4, 350 ammoniakmolekyler på cirka fire timer før den udløber.

"Vores SWAP-proces skaber ammoniak med 300-500 gange hastigheden af ​​Haber-Bosch-processen og med 90 procent effektivitet, " fortsatte Nishibayashi. "Faktor i de gigantiske energibesparelser i processen og indkøb af råmaterialer, og fordelene viser sig virkelig."

Alle med de rigtige kildematerialer kan udføre SWAP på et kemilaboratorium med bordplader, hvorimod Haber-Bosch-processen kræver industrielt udstyr i stor skala. Dette kunne give adgang til dem, der mangler kapital til at investere i så store, dyrt udstyr. Råvarerne i sig selv er en kæmpe besparelse i forhold til omkostninger og energi.

"En stærk motivation var at gøre SWAP-processen mulig på desktop-skala. Jeg håber at se denne proces demokratisere produktionen af ​​gødning, " sagde Nishibayashi. "Så det handler ikke kun om forudgående omkostninger, men også de fortsatte omkostninger og energibesparelser ved råvarer. Mit team tilbyder denne idé for at hjælpe landbrugspraksis på de steder, der har mest brug for det."

SWAP optager nitrogen (N ₂ ) fra luften - som Haber-Bosch-processen gør - men den specielle molybdænbaserede katalysator kombinerer dette med protoner (H ⁺ ) fra vand og elektroner (f ^- ) fra samarium (SmI ₂ ). Samarium – også kendt som Kagans reagens – udvindes i øjeblikket og bruges i SWAP-processen. Samarium kan dog genbruges med elektricitet for at genopbygge dets tabte elektroner, og forskere sigter mod at bruge billige vedvarende kilder til dette i fremtiden.

"Jeg blev glædeligt overrasket, da vi fandt noget så almindeligt som vand kunne tjene som protonkilde; en molybdænkatalysator tillader normalt ikke dette, men vores er speciel, " konkluderede Nishibayashi. "Det er den første kunstige nitrogenfikserende reaktion, der når en hastighed tæt på den, vi ser nitrogenase producere i naturen. Og ligesom den naturlige proces, den er passiv, også, så bedre for miljøet. Jeg håber, at mit livsværk kan være til stor gavn for menneskeheden."

Undersøgelsen er publiceret i Natur .