Produktion af ammoniak gennem elektrokemiske processer kan reducere kuldioxidemissioner

Ammoniak er almindeligt anvendt i gødning, fordi det har det højeste nitrogenindhold af handelsgødning, hvilket gør det afgørende for afgrødeproduktion. Der laves dog to kuldioxidmolekyler for hvert produceret ammoniakmolekyle, hvilket bidrager til overskydende kuldioxid i atmosfæren.

Et hold fra Artie McFerrin Department of Chemical Engineering ved Texas A&M University bestående af Dr. Abdoulaye Djire, adjunkt og kandidatstuderende Denis Johnson, har fremmet en metode til at producere ammoniak gennem elektrokemiske processer, hvilket hjælper med at reducere kulstofemissioner. Denne forskning har til formål at erstatte Haber-Bosch termokemiske proces med en elektrokemisk proces, der er mere bæredygtig og sikrere for miljøet.

Forskerne har for nylig offentliggjort deres resultater i Scientific Reports .

Siden begyndelsen af ​​1900-tallet er Haber-Bosch-processen blevet brugt til at fremstille ammoniak. Denne proces fungerer ved at reagere atmosfærisk nitrogen med brintgas. En ulempe ved Haber-Bosch-processen er, at den kræver højt tryk og høj temperatur, hvilket efterlader et stort energifodaftryk. Metoden kræver også brintråvare, som er afledt af ikke-vedvarende ressourcer. Det er ikke bæredygtigt og har negative konsekvenser for miljøet, hvilket fremskynder behovet for nye og miljøvenlige processer.

Forskerne har foreslået at bruge den elektrokemiske nitrogenreduktionsreaktion (NRR) til at producere ammoniak fra atmosfærisk nitrogen og vand. Fordelene ved at bruge en elektrokemisk metode omfatter brug af vand til at give protoner og evnen til at producere ammoniak ved omgivende temperatur og tryk. Denne proces ville potentielt kræve lavere mængder energi og ville være mindre omkostningsfuld og mere miljøvenlig end Haber-Bosch-processen.

NRR virker ved at bruge en elektrokatalysator. For at denne proces skal lykkes, skal nitrogen binde sig til overfladen og bryde fra hinanden for at producere ammoniak. I denne undersøgelse brugte forskerne MXene, et titaniumnitrid, som elektrokatalysator. Det, der adskiller denne katalysator fra andre, er, at nitrogen allerede er i sin struktur, hvilket muliggør en mere effektiv ammoniakformulering.

"Det er lettere for ammoniak at danne sig, fordi protonerne kan binde sig til nitrogenet i strukturen, danne ammoniakken, og så vil ammoniakken forlade strukturen," sagde Johnson. "Der er lavet et hul i strukturen, der kan trække nitrogengassen ind og adskille den tredobbelte binding."

Forskerne fandt ud af, at brug af titaniumnitrid inducerer en Mars-van Krevelen-mekanisme, en populær mekanisme til kulbrinteoxidation. Denne mekanisme følger en lavere energivej, der ville give mulighed for højere ammoniakproduktionshastigheder og selektivitet på grund af nitrogenet fra titaniumnitridkatalysatoren.

Uden modifikationer af materialerne nåede forskerne en selektivitet på 20%, hvilket er forholdet mellem det ønskede produkt, der dannes i forhold til det dannede uønskede produkt. Deres metode kunne potentielt nå en højere selektivitetsprocent med modifikationer, hvilket skaber en ny vej til ammoniakproduktion gennem elektrokemiske processer.

"Energiministeriet har sat et mål om en selektivitet på 60%, hvilket er et udfordrende tal at nå," sagde Johnson. "Vi var i stand til at nå op på 20% ved at bruge vores materiale, hvilket viste en metode, som vi måske kunne drage fordel af fremover. Hvis vi opgraderer vores materiale, kan vi så nå 60% snart? Det er spørgsmålet, vi vil fortsætte med at arbejde for at svar."

Denne forskning kan potentielt reducere CO2-fodaftrykket og det globale energiforbrug i større skala.

"I fremtiden kan dette blive en stor videnskabelig reform," sagde Djire. "Omkring 2% af verdens samlede energi bruges til ammoniakproduktion. At reducere det enorme antal vil drastisk reducere vores CO2-fodaftryk og energiforbrug."

Andre bidragydere til publikationen er Eric Kelley fra kemiingeniørafdelingen ved Texas A&M, Brock Hunter fra Auburn University og Jevaun Christie og Cullan King fra Prairie View A&M University. + Udforsk yderligere

Den nye alkymi inden for kulstofneutralitet:Forvandling af vand til ammoniak med kun vedvarende energi