Behov for strenge procedurer inden for elektrokemisk produktion af ammoniak

Ammoniak (NH ₃ ) er et af de mest udbredte kemikalier, med en global produktion på 170 megaton om året. Det er nøgleingrediensen i produktionen af ​​gødning, og spiller dermed en afgørende rolle i at opretholde verdens befolkning. Imidlertid, mere end 1 procent af den globale energi forbruges ved produktion af ammoniak, som involverer reaktionen af ​​dinitrogen (N ₂ ) fra luft og dihydrogen (H ₂ ), via Haber-Bosch-processen.

Selvom industrien har set nogle gennembrud med hensyn til effektivitet, brintatomerne i ammoniak er afledt af det fossile brændsel metan (CH ₄ ), og kuldioxid (CO ₂ ) produceres som et biprodukt. Med andre ord, Haber Bosch-processen er uholdbar. I øvrigt, det kræver høje temperaturer og tryk, hvilket betyder, at det kun kan produceres i store centraliserede reaktorer, langt fra forbrugsstedet. Følgelig, de logistiske og sikkerhedsmæssige udfordringer ved transport af ammoniak, som er både giftig og ætsende, forhindre mange potentielle brugere i at kunne bruge det, især i udviklingslande.

I mange år, forskere har derfor arbejdet hårdt på at finde et alternativ, elektrokemisk metode til syntese af ammoniak, som kunne drives af vedvarende energi og produceres på lokalt grundlag, på brugsstedet. Der er store udfordringer, der skal løses – videnskabelige såvel som tekniske – før processen kan blive skalerbar og rentabel.

Eksperimentelle undersøgelser - indtil videre - har ikke været i stand til at matche effektiviteten af ​​den dominerende Haber-Bosch-proces. I øvrigt, mange af disse undersøgelser udelukker ikke kontaminering på grund af ammoniak eller andre nitrogenholdige forbindelser, der allerede er til stede i luften, menneskelig ånde, ionledende membraner eller endda selve katalysatoren.

En ny undersøgelse i Natur af et internationalt hold af forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU), Stanford University og Imperial College London fremhæver dette problem.

"Syntese af ammoniak gennem elektrokemiske processer samler enorm interesse, ikke kun fra akademiske forskere, men også fra industri og regering. Denne interesse er drevet af behovet for at gøre produktionen af ​​ammoniak mindre afhængig af fossile brændstoffer. Imidlertid, mange akademiske grupper undlader at bevise, at ammoniakken faktisk stammer fra N ₂ molekyle. Dette er til dels på grund af de meget små mængder ammoniak, der produceres, hvilket gør, at selv små forureninger giver en falsk positiv, " siger lektor Jakob Kibsgaard ved DTU.

Protokollen fremsat af forskerne bruger nitrogen-15 (15N ₂ ), en isotop, der giver dem mulighed for at detektere og kvantificere elektroreduktionen af ​​N ₂ til ammoniak. Gennem denne metode, de er i stand til at adskille virkningerne af falsk forurening fra ægte N ₂ reduktion.

"Hvis elektrokemiske processer bliver mere effektive, isotopmærkning bliver mindre af et problem, da vi kommer til at producere større mængder ammoniak. Ikke desto mindre, vi har undersøgelser, der udkommer i øjeblikket, som ikke overholder selv de mest basale protokoller for at sikre, at resultaterne er gyldige, " siger lektor Ifan E. L. Stephens ved Imperial College London.

Ved hjælp af deres protokol, videnskabsmændene har bevist, at en metode rapporteret i 1993 af et andet hold af videnskabsmænd (fra Tokyo Institute of Technology), giver utvetydigt ammoniak afledt af N ₂ . Mens mange undersøgelser skal revurderes, det nuværende resultat er betydeligt, da det viser, at den elektrokemiske produktion af ammoniak faktisk er mulig.

"Vi håber, at dette papir vil minde forskersamfundet om at bruge de korrekte kontroleksperimenter og protokoller til korrekt at evaluere deres forskning. Vi er alle en del af et spirende felt, der kan have en meget positiv indvirkning på ammoniakproduktion og global CO2 ₂ emissioner. Følgelig, vi skal være sikre på, at vi udnytter vores tid i laboratoriet godt – og denne forskning kan hjælpe os til det, siger professor Ib Chorkendorff ved DTU.