Bæredygtig brændstof til verden:Syntetisering af ammoniak ved brug af mindre energi

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har udviklet en forbedret katalysator ved at tage det fælles dehydratiserende middel calciumhydrid og tilføje fluor til det. Katalysatoren letter syntesen af ​​ammoniak ved kun 50 ° C, ved kun at bruge halvdelen af ​​den energi, som eksisterende teknikker kræver. Dette åbner døre til ammoniakproduktion med lavt energiforbrug og reduceret drivhusgasemission.

Ammoniak er afgørende for fremstilling af gødning, som igen fodrer cirka 70% af verdens befolkning. I industrien, ammoniak produceres via Haber-Bosch-processen, hvor metan først reageres med damp for at producere brint, og hydrogen omsættes derefter med nitrogen for at give ammoniak. Problemet med denne proces er, at når temperaturen stiger, udbyttet falder. For fortsat at få et godt udbytte, trykket, der påføres i reaktionskammeret, skal øges. Dette kræver meget energi. Yderligere, de jernbaserede katalysatorer, der anvendes til reaktionen, er kun effektive over 350 ° C. At opretholde så høje temperaturer kræver også en betydelig mængde energi. For at toppe det hele, udbyttet er kun 30-40%.

Fossile brændstoffer bruges i øjeblikket til at drive processen, bidrager med store mængder kuldioxid til atmosfæren. Alternativer til vedvarende ressourcer, såsom vindenergi, er blevet anvendt, men de har ikke vist sig holdbare. For at øge udbyttet og samtidig reducere miljøskader, derfor, reaktionen skal finde sted ved lave temperaturer. For at dette kan ske, katalysatorer, der muliggør reaktionen ved lave temperaturer, er påkrævet.

Indtil nu, sådanne katalysatorer har været undvigende for forskere. "Konventionelle katalysatorer mister den katalytiske aktivitet for ammoniakdannelse fra N ₂ og H. ₂ gasser ved 100-200 ° C, selvom de udviser høj katalytisk ydeevne ved høje temperaturer, "bemærker en gruppe forskere fra Tokyo Tech, Japan, der tilsyneladende endelig har løst katalysatorproblemet. Forskerne, ledet af Dr.Michikazu Hara, udviklet en katalysator, der er effektiv, selv ved 50 ° C. "Vores katalysator producerer ammoniak fra N ₂ og H. ₂ gasser ved 50 ° C med en ekstremt lille aktiveringsenergi på 20 kJmol ^-1 , hvilket er mindre end halvdelen af ​​det, der er rapporteret for konventionelle katalysatorer, "Dr. Hara og kolleger rapporterer i deres papir offentliggjort i Naturkommunikation .

Deres katalysator omfatter en fast opløsning af CaFH, med ruthenium (Ru) nanopartikler afsat på overfladen. Tilsætning af fluor (F ^- ) til calciumhydrid (CaH ₂ ), et almindeligt dehydratiseringsmiddel, er det, der gør katalysatoren effektiv ved lavere temperaturer og tryk. Efter at have foretaget spektroskopiske og beregningsmæssige analyser, forskerne foreslår en mulig mekanisme, hvormed katalysatoren letter ammoniakproduktion.

Calcium-fluorid (Ca-F) bindingen er stærkere end calcium-hydrogen (Ca-H) bindingen. Så, tilstedeværelsen af ​​Ca-F-bindingen svækker Ca-H-bindingen, og Ru er i stand til at ekstrahere H-atomer fra katalysatorkrystallet, efterlader elektroner på deres sted. H -atomerne desorberes derefter fra Ru nanopartiklerne som H ₂ gas. Dette sker selv ved 50 ° C. Den resulterende ladning frastødning mellem de fangede elektroner og F ^- ioner i krystallen sænker energibarrierer for disse elektroners frigivelse, derved giver materialet en høj elektron-donerende kapacitet. Disse frigjorte elektroner angriber bindingerne mellem nitrogenatomerne i N ₂ gas, lette produktionen af ​​ammoniak.

Denne nye metode til ammoniakproduktion reducerer energibehovet, derved reducere kuldioxidemissionerne fra brugen af ​​store mængder fossile brændstoffer. Resultaterne af denne undersøgelse belyser muligheden for en miljømæssigt bæredygtig Haber-Bosch-proces, åbner døren til den næste revolution i landbrugets fødevareproduktion.