Ny katalysator muliggør energivenlig ammoniakproduktion til gødning og alternativt brændstof

Forskere ledet af Satoshi Kamiguchi ved RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) i Japan har opdaget en grønnere måde at producere ammoniak på, en essentiel forbindelse, der bruges i gødning.

Undersøgelsen, offentliggjort i Chemical Science , beskriver en ny katalysator, der fungerer stabilt ved relativt lave temperaturer, og dermed reducerer mængden af ​​energi og penge, der skal til for at syntetisere ammoniak. Fordi ammoniak er en fremragende måde at opbevare brint sikkert på, såvel som et fremragende alternativt brændstof i sig selv, vil denne opdagelse gøre det lettere at skifte fra fossile brændstoffer til en kulstofneutral og grøn energiøkonomi.

Gødning er en måde at give ekstra nitrogen til planter, som hjælper dem med at vokse og øger afgrødeudbyttet. Kvælstoffet i gødning kommer fra ammoniak, som fremstilles ved at nedbryde brint (H₂ ) og nitrogen (N₂ ) molekyler og forbinder de enkelte grundstoffer til ammoniakgas (NH₃ ) gennem Haber-Bosch-processen. Reaktionen kræver ekstremt højt tryk og temperaturer og en jernkatalysator.

Det ekstremt høje tryk og temperaturer - omkring 200 atm og 500 ° C (932 ° F) - der er nødvendige for reaktionen, kræver en stor mængde energi. Fordi ammoniak er så udbredt i kunstgødning og andre industrier, bruger verdensomspændende produktion således en enorm mængde energi. For at hjælpe med at reducere ammoniakens energifodaftryk har RIKEN CSRS-forskerne udviklet en mere miljø- og energivenlig reaktion, der kan forløbe stabilt ved meget lavere temperaturer uden at blive deaktiveret.

Den største hindring var nedbrydning af nitrogengas, fordi der er en stærk tredobbelt binding mellem de to nitrogenatomer i et molekyle af nitrogengas. "Tricket var at bruge ultrasmå molybdænmetalpartikler fremstillet af en hexanukleær molekylær metalhalogenidklynge, som derefter blev aktiveret med brintgas," siger Kamiguchi.

Når de er aktiveret, arbejder flere molybdænatomer sammen for at bryde de stærke nitrogen-nitrogen-bindinger og drive ammoniaksyntese hurtigt. Da den blev testet, var denne nye metode i stand til at skabe ammoniak fra nitrogen og brintgasser kontinuerligt i mere end 500 timer ved 200°C (392°F), hvilket i høj grad reducerede den nødvendige temperatur ved brug af den konventionelle Haber-Bosch-proces.

Ud over at påvirke gødningsindustrien, kunne den nye måde at producere ammoniak indirekte bidrage til at reducere kulstofemissioner, hvis ammoniakbrændstof blev brugt over hele verden. Ammoniakbrændstof kan afbrændes direkte i forbrændingsmotorer uden at udlede CO₂ , men er ikke blevet et praktisk alternativ på grund af den højenergiske Haber-Bosch-proces.

En af fordelene ved den nye metode er, at den ville tillade en ammoniakproduktion med lavere energi, hvilket i høj grad ville reducere kulstofemissionerne, hvis ammoniakbrændstof bruges i stor skala.

Samtidig med at ammoniak lagrer nitrogen til gødning, lagrer det også brint. Dette gør det til en ideel bærer for brint, som nogle anser for at være den ideelle energikilde. Når det lagrede brint er nødvendigt, kan det frigives fra ammoniak og bruges som brændstof uden at udlede kuldioxid.

"At erstatte Haber-Bosch-processen med vores nye metode burde resultere i verdensomspændende energibesparelser," siger Kamiguchi. "Hvis ammoniakbrændstof og brintbrændstof bruges i meget større mængder, vil en kraftig reduktion af den nødvendige energi til at syntetisere ammoniak føre til lavere CO₂ emissioner og hjælpe med at forhindre yderligere global opvarmning."

Et problem er stadig tilbage. Den brint, der er nødvendig for at fremstille ammoniak, produceres stadig ved hjælp af fossile brændstoffer, og i de nødvendige store mængder vil det også føre til en enorm CO₂ emissioner og energiforbrug. Kamiguchi bemærker derfor, "Når vores katalysatorsystem kombineres med grøn H₂ produktion fra vedvarende energi, udledningen af ​​globalt opvarmende CO₂ kunne reduceres endnu mere."

I øjeblikket fokuserer forskerholdet på at tilføje promotorer til den molybdæn-baserede katalysator, der vil gøre ammoniaksyntesen mere effektiv.

Flere oplysninger: Satoshi Kamiguchi et al., Katalytisk ammoniaksyntese på HY-zeolit-understøttet molybdænklynge i angstrom-størrelse, Chemical Science (2024). DOI:10.1039/D3SC05447K

Journaloplysninger: Kemisk videnskab

Leveret af RIKEN