Nanoteknologi viser vejen til grønnere græsgange

Nærende afgrøder med syntetisk ammoniak (NH ₃ ) gødning har i stigende grad skubbet landbrugets udbytte højere, men en sådan produktivitet har en pris. Overanvendelse af dette kemikalie kan opbygge nitrationer (NO ₃ –) koncentrationer i jorden -- en potentiel grundvandsgift og fødekilde til skadelig algeopblomstring. Desuden, industriel fremstilling af ammoniak er en energikrævende proces, der bidrager væsentligt til atmosfæriske drivhusgasser.

Et forskerhold ledet af Miho Yamauchi og Masaki Takata fra RIKEN SPring-8 Center i Harima har nu opdaget en næsten ideel måde at afgifte virkningerne af ammoniakgødning. Ved at syntetisere fotoaktive bimetalliske nanokatalysatorer, der genererer brintgas fra vand ved hjælp af solenergi, holdet kan katalytisk konvertere NO ₃ - tilbage til NH3 via en effektiv vej fri for kuldioxidemissioner.

Udskiftning af oxygenatomerne i NO ₃ – med brint er et svært kemisk trick, men kemikere kan opnå denne bedrift ved at bruge nanopartikler af kobber-palladium (CuPd) legeringer til at immobilisere nitrater på deres overflader og katalysere en reduktionsreaktion med opløste brintatomer. Imidlertid, atomfordelingen ved 'nanolegeringsoverfladen' påvirker resultatet af denne procedure:regioner med store domæner af Pd-atomer har tendens til at skabe nitrogengas, mens godt blandede legeringer fortrinsvis producerer ammoniak.

Ifølge Yamauchi, udfordringen med at syntetisere homogent blandede CuPd-legeringer er at få timingen rigtigt - de to metalioner omdannes til atomare tilstande med forskellige hastigheder, forårsager faseadskillelse. Yamauchi og hendes team brugte de kraftige røntgenstråler fra SPring-8 Centers synkrotron til at karakterisere den atomare struktur af CuPd syntetiseret med barske eller milde reagenser. Deres eksperimenter afslørede, at et relativt stærkt reducerende reagens kaldet natriumborhydrid gav legeringer med næsten perfekt blanding ned til nanoskala dimensioner.

De fleste ammoniaksynteser bruger brintgas fremstillet af fossile brændstoffer, men forskernes brug af solenergi undgår dette. De fandt ud af, at aflejring af nanolegeringen på lysfølsom titaniumdioxid (TiO ₂ ) gav et materiale i stand til at omdanne ultraviolet stråling til energiske elektroner; på tur, disse elektroner stimulerede brintgasdannelse fra en simpel vand/methanolopløsning. Når de tilføjede nitrationer til denne blanding, CuPd/TiO ₂ katalysator omdannet næsten 80% til ammoniak - en bemærkelsesværdig kemisk selektivitet, som forskerne tilskriver høje koncentrationer af reaktivt brint fotokatalytisk produceret nær CuPd-overfladen.

Yamauchi er overbevist om, at denne tilgang kan hjælpe med at reducere den økologiske påvirkning af mange klassiske kemiske hydrogeneringsreaktioner. ”I betragtning af de miljøproblemer, vi står over for, vi skal skifte fra kemisk syntese ved hjælp af fossilbaseret brint til andre rene processer, ” siger hun.