Fotokemi og en ny katalysator kan gøre gødning mere bæredygtig

Georgia Tech-ingeniører arbejder på at gøre gødning mere bæredygtig – fra produktion til produktiv genbrug af afstrømningen efter påføring – og et par nye undersøgelser tilbyder lovende veje i begge ender af processen.

I et papir har forskere afsløret, hvordan nitrogen, vand, kulstof og lys kan interagere med en katalysator for at producere ammoniak ved omgivende temperatur og tryk, en meget mindre energikrævende tilgang end den nuværende praksis. Den anden artikel beskriver en stabil katalysator, der er i stand til at omdanne affaldsgødning tilbage til ikke-forurenende nitrogen, som en dag kan bruges til at lave ny gødning.

Der er fortsat betydeligt arbejde med begge processer, men seniorforfatteren på avisen, Marta Hatzell, sagde, at de er et skridt mod en mere bæredygtig cyklus, der stadig opfylder behovene hos en voksende verdensomspændende befolkning.

"Vi synes ofte, det ville være rart ikke at skulle bruge syntetisk gødning til landbruget, men det er ikke realistisk på kort sigt i betragtning af, hvor meget plantevækst er afhængig af syntetisk gødning, og hvor meget mad verdens befolkning har brug for," siger Hatzell, associeret medarbejder. professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Ideen er, at du måske en dag kunne fremstille, opsamle og genbruge gødning på stedet."

Producerer ammoniak ved lavere temperatur, tryk

Nitrogenrig ammoniak er en vigtig gødning i den globale fødevareproduktion. At skabe det kræver imidlertid betydelig oliebaseret energi, og det kan kun gøres på omkring 100 store anlæg på verdensplan.

Hatzell og hendes Georgia Tech-kolleger har afsløret den vigtige rolle, molekyler kaldet kulstofradikaler spiller for en lavenergitilgang, der bruger en lysreaktiv katalysator til at fusionere nitrogen og brint til ammoniak. De rapporterede deres resultater i Journal of the American Chemical Society Au (JACS Au ).

Fotokemiske reaktioner er lovende, fordi de kunne bruge solenergi i stedet for fossile brændstoffer og tilbyde en mere decentral tilgang til ammoniakfremstilling. Typisk kræver den nødvendige reaktion temperaturer omkring 400° Celsius og 100 gange normalt atmosfærisk tryk. At skabe en proces ved omgivende tryk og temperatur - omkring 25 ° C - ville være betydeligt nemmere.

Holdet, som omfattede forskere fra School of Chemical and Biomolecular Engineering og School of Civil and Environmental Engineering, brugte spektroskopiværktøjer til at vise, at lys interagerer med fotokatalysatoren for at producere højenergi-kulstofmolekyler kaldet kulstofradikaler.

"Vi fandt overraskende, at nitrogenet ikke reagerer direkte ved lave temperaturer. Du har virkelig brug for tilstedeværelsen af ​​kulstofradikal for at hjælpe nitrogenfikseringsprocessen," sagde Hatzell.

"Det var virkelig vigtigt for os at forsøge at identificere den reaktionsvej, for uden en klar forståelse af, hvordan nitrogen og vand resulterer i dannelsen af ​​ammoniak, kan vi virkelig ikke konstruere systemer og designe nye materialer," fortsatte hun. P>

"Ved at kortlægge denne reaktionsvej og forstå alle de mulige katalytiske processer, der kan finde sted, kan vi nu bedre konstruere reaktorer og bedre designe materialer for at accelerere processen."

Holdet brugte titaniumdioxid som fotokatalysator i disse eksperimenter, fordi det er velundersøgt og bredt anvendeligt, men Hatzell sagde, at andre materialer kunne vise sig at være mere effektive til at udløse dannelsen af ​​ammoniak i en fotokemisk reaktion. Denne nye forståelse kan hjælpe videnskabsmænd med at begynde at optimere processen.

Genbrug af gødningsaffald

Den anden undersøgelse fra Hatzells laboratorium - offentliggjort i ACS Energy Letters — arbejder i den modsatte ende af gødningens livscyklus. Betydelige mængder kvælstof går til spilde, når gødning tilføres afgrøder - måske så meget som 80% går uomdannet af planter. Dette nitrataffald ender ofte med at forurene grundvandet.

Hatzell arbejdede sammen med andre Georgia Tech mekaniske ingeniører og forskere på to nationale laboratorier for at skabe en palladium-kobber legering, der reducerer disse nitrater tilbage til nitrogen, som kan frigives uskadeligt i luften eller, en dag, bruges til at fodre processer som den fotokemiske reaktion i JACS Au undersøgelse for at skabe ny ammoniakgødning.

"Ikke kun er vores katalysator god, men den er også stabil i en meget lang periode," sagde Hatzell. "Mange forskere er kommet frem til katalysatorer, der får en god konvertering, men katalysatorerne er ikke stabile. Vi har skabt et højt-ordnet legeringsmateriale, der er effektivt, effektivt og også stabilt, hvilket betyder, at det ville være i stand til at arbejde med disse affaldsstrømme."

Begge undersøgelser er udløbet af en koncentration af ekspertise i College of Engineering, der arbejder på at gøre fremskridt på dette område. De omfatter bidrag fra forskere som A.J. Medford, Seung Woo Lee og Carsten Sievers.

De er også en del af en bredere indsats, Hatzell og andre hos Tech hjælper med at lede, der arbejder på at reducere kvælstofforurening og i stedet skabe en cirkulær kvælstoføkonomi ved at opsamle, genbruge og producere dekarboniseret kvælstofbaseret gødning.

"Med det 10-årige center arbejder vi på at udvikle alle disse individuelle processer og teknologier," sagde Hatzell. "Så finder vi ud af, hvordan vi sætter dem sammen og piloterer dem på spildevandsrensningsanlæg og landbrugsanlæg."

Flere oplysninger: Po-Wei Huang et al., Formation of Carbon-Induced Nitrogen-Centered Radicals on Titanium Dioxide under Illumination, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556

Jeonghoon Lim et al., Atomisk ordnede PdCu-elektrokatalysatorer til selektiv og stabil elektrokemisk nitratreduktion, ACS Energy Letters (2023). DOI:10.1021/acsenergylett.3c01672

Journaloplysninger: ACS Energy Letters

Leveret af Georgia Institute of Technology