Ny produktionsmetode gør et vigtigt gødningselement på en mere bæredygtig måde

Urinstof er et kritisk element, der findes i alt fra gødning til hudplejeprodukter. Storskala produktion af urinstof, som naturligt er et produkt af menneskelig urin, er en stor virksomhed, udgør omkring 2 % af det globale energiforbrug og emissioner i dag.

I årtier, videnskabsmænd og ingeniører har søgt at gøre denne proces mere energieffektiv, efterhånden som efterspørgslen efter gødning vokser med øget befolkning. Et internationalt forskerhold, der omfatter forskere og ingeniører fra University of Texas i Austin, har udtænkt en ny metode til fremstilling af urinstof, der er mere miljøvenlig end nutidens proces og producerer nok til at være konkurrencedygtig med energiintensive industrielle metoder.

Fremstilling af urinstof i dag involverer en to-trins termisk proces, der kræver høje niveauer af varme og tryk under kontrollerede barske miljøer. Men denne nye proces kræver kun et trin og er afhængig af et koncept kaldet elektrokatalyse, der bruger elektricitet - og potentielt sollys - til at udløse kemiske reaktioner i en opløsning ved stuetemperatur under omgivende forhold.

"Rundt om i verden er vi nødt til at sænke emissionerne. Det er derfor, vi ønsker at udvikle disse mere bæredygtige veje til at producere urinstof ved hjælp af elektrokatalyse i stedet for denne energikrævende to-trins proces, " sagde Guihua Yu, en lektor i materialevidenskab i Cockrell School of Engineering's Walker Department of Mechanical Engineering, som var med i spidsen for holdet, der udgav et nyt milepælspapir om processen i Naturens bæredygtighed .

I dag, syntetisk urinstof fremstilles primært via Haber-Bosch-metoden - som er kendt som en af ​​de største opfindelser i det 20. århundrede, fordi den muliggjorde masseproduktion af gødning og var med til at øge den globale fødevareforsyning. Det kombinerer nitrogen og brint for at lave ammoniak, som derefter binder med kuldioxid for at lave urinstof. Denne to-trins proces kræver opvarmning til 400 eller 500 grader Fahrenheit for at udføre reaktionen, bruger enorme mængder energi og producerer betydelige emissioner undervejs.

At producere urinstof gennem elektrokatalyse er en alternativ proces, der er mere bæredygtig og energieffektiv. Imidlertid, denne metode har historisk set ikke produceret nok til at gøre den levedygtig. Det skabte for mange biprodukter og krævede meget energi for at bryde bindingerne af de molekylære byggesten for at udløse reaktionen.

At finde de rigtige grundstoffer eller katalysatorer til at skabe en effektiv kemisk reaktion var den primære udfordring. UT-holdet brugte nitrat, i stedet for det typiske nitrogen, at binde med kuldioxid. Og katalysatoropløsningen er sammensat af indiumhydroxidnanomaterialer.

Denne meget effektive nanomateriale-elektrokatalysator har "høj selektivitet, " sagde Yu, hvilket betyder, at det kun producerer det, forskerne ønsker, det skal producere, ikke en masse biprodukter. Og det skaber et højere udbytte af urinstof end tidligere forsøg med elektrokatalyse.

"Det kræver meget mindre energi at bryde nitratbindingerne, sammenlignet med nitrogen, og det hjælper med at producere et meget højere udbytte af urinstof, " sagde Yu.

Yu ser denne formel som anvendelig til store og små anvendelser. Elektrokatalytiske enheder kunne betjenes af enkeltpersoner og sælges til individuelle gårde, så de kunne generere deres eget urinstof til jord. Og håbet er at levere alternative løsninger til store industrielle processer for at reducere energiforbruget, som kan spille en rolle i en mere bæredygtig fremtid, da befolkningen og efterspørgslen efter urinstof helt sikkert vil vokse.

Næste trin i denne proces involverer yderligere forbedring af udbyttet og selektiviteten, samt en prototype enhed, der kan skalere produktionen op. Og forskerholdet forsøger at finde en måde at drive processen ved hjælp af solenergi i stedet for direkte elektricitet.