Neutronspredningsundersøgelse viser vejen til elektrokemisk for kulstofneutral ammoniak

Forskere fra Stanford University og Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory forvandler luft til gødning uden at efterlade et CO2-fodaftryk. Deres opdagelse kunne levere en tiltrængt løsning til at hjælpe med at opfylde verdensomspændende CO2-neutrale mål inden 2050.

Udgivet i tidsskriftet Energy &Environmental Science , beskriver undersøgelsen en bæredygtig elektrokemisk - snarere end kemisk - proces til fremstilling af ammoniak, en nøgleingrediens i nitrogengødning.

I det væsentlige brugte forskerne neutronspredning til at forstå, hvordan cykling af en elektrisk strøm under omdannelsen af ​​nitrogen til ammoniak, også kendt som nitrogenreduktionsreaktionen, øger mængden af ​​produceret ammoniak. Denne proces har potentialet til at sætte landmænd i stand til at omdanne nitrogen, det mest udbredte grundstof i vores atmosfære, til ammoniakbaseret gødning uden at udlede kuldioxid.

"Ammoniak er afgørende for fødevareforsyningen til det meste af verdens befolkning," sagde Sarah Blair, en tidligere doktorand ved Stanfords Center for Interface Science and Catalysis, som nu arbejder ved National Renewable Energy Laboratory i Colorado som postdoktor. "Efterhånden som verdensbefolkningen fortsætter med at vokse, har vi brug for bæredygtige måder at producere gødning på - især når opvarmningen intensiveres."

Industriel gødning giver landmændene mulighed for at dyrke mere mad på mindre jord. Alligevel tegner Haber-Bosch-processen sig for næsten 2 % af alle kuldioxidemissioner, den primære metode til at skabe industriel ammoniak i mere end et århundrede på grund af de fossile brændstoffer, den kræver.

To procent lyder måske ikke af meget, men vi tilføjer kuldioxid til atmosfæren hurtigere, end planeten kan absorbere det, hvilket gør, at enhver indsats tæller for at reducere det tal. Haber-Bosch-processen producerer omkring 500 millioner tons kuldioxid hvert år, hvilket ville kræve, hvad der svarer til næsten alle de føderale lande i USA at absorbere og opbevare.

Indsigt fra undersøgelsen kan også hjælpe forskere med at forstå andre processer til fremstilling af kulstofneutral ammoniak til andre applikationer. Disse kunne omfatte genanvendelse eller genindvinding af gødningsafstrømning, før den kommer ind i vandstrømme, og produktion af ammoniak i havne til brændstof til skibe. Global skibsfart producerer yderligere 3 % af verdens kuldioxidemissioner, og forbrænding af fossile brændstoffer står for den største kilde til kuldioxid fra menneskelig aktivitet.

"Du kan ikke forbedre designet af noget, hvis du ikke ved, hvordan det allerede fungerer," sagde Blair. "Neutroner hjælper videnskaben med at udvikle sig ved at kaste lys på atomniveau på visse systemer, som er umulige at studere på anden vis."

Blair og Mat Doucet, en senior neutronspredningsforsker ved ORNL, udførte deres neutroneksperimenter på Liquids Reflectometer-instrumentet ved Spallation Neutron Source. Deres mål var at forstå effekten af ​​at cykle en elektrisk strøm på dannelsen af ​​fast-elektrolyt-grænsefladen, eller SEI, i et nitrogenreduktionsreaktionssystem, der producerer ammoniak ved hjælp af lithium som mediator.

Forståelse af SEI-dannelse er nøglen til ikke kun at låse op for videnskaben bag den elektrokemiske produktion af ammoniak, men også til at producere bedre batterier. Undersøgelsen markerer også den første brug af neutronbaserede teknikker til at observere dannelsen af ​​et SEI-lag under denne særlige elektrokemiske omdannelse.

Derudover dukkede en enestående ny neutronteknik, tidsopløst reflektometri, frem fra undersøgelsen. Denne teknik gør det muligt for videnskabsmænd at opdele neutrondata i intervaller på nogle få sekunder og fange flere detaljer, ligesom at se en film billede for billede. Til at begynde med troede Blair og Doucet, at de elektrokemiske ændringer, de observerede, skete gradvist. Men takket være den nye teknik opdagede de ændringer, der skete i meget mindre tidsintervaller.

"Processer, der ser ud til at være lineære, er måske slet ikke lineære, når du ser nærmere på dem," sagde Doucet. "At komme til den struktur som en funktion af tid er den svære del. Teknikken, vi udviklede til dette eksperiment, gjorde det muligt for os at gøre netop det."

Opdagelser hos SNS lægger grundlaget for viden til teknologiske innovationer, der forbedrer folks dagligdag. Teknikken Blair og Doucet udviklede åbner nye muligheder inden for elektrokemi for SNS-brugere.

Hanyu Wang, ORNL-instrumentforsker, som også arbejder tæt sammen med SNS-brugere, sagde:"Disse tidsafhængige eksperimenter vil trække videnskabsmænd, der studerer separationskemi."

ORNL Neutron Reflectometry-gruppeleder Jim Browning tilføjede:"Deres tilgang kan besvare en masse spørgsmål til separationskemi, batterier og en hel række af forskellige interesseområder, såsom energiproduktion, energilagring og bevaring af energi."

Flere oplysninger: Sarah J. Blair et al., Kombineret, tidsopløst, in situ neutronreflektometri og røntgendiffraktionsanalyse af dynamisk SEI-dannelse under elektrokemisk N₂ reduktion, Energi- og miljøvidenskab (2023). DOI:10.1039/D2EE03694K

Journaloplysninger: Energi- og miljøvidenskab

Leveret af Oak Ridge National Laboratory