Forskere efterlyser mere arbejde for at balancere nitrogenkredsløbet

For mere end 112 år siden industrialiserede Fritz Haber og Carl Bosch en proces, der kunne producere ammoniak ud fra nitrogen, der er let tilgængeligt i luften, hvilket skaber kommercielt levedygtig kemisk gødning, der er i stand til at forbedre afgrødeproduktionen. Anset for at være et af de vigtigste videnskabelige gennembrud i det 20. århundrede, bruges Haber-Bosch-processen stadig til at dyrke afgrøder rundt om i verden. Det reddede millioner fra hungersnød, men det forstyrrer sammen med andre menneskelige aktiviteter planetens nitrogenkredsløb, opvarmer kloden og risikerer potentielt millioners helbred.

Det er derfor, det nu er tid til at gennemgå det videnskabelige arbejde, der er i gang med at genoprette nitrogenkredsløbet, ifølge Xuping Sun, professor ved Institut for Grundlæggende og Frontier Videnskaber, University of Electronic Science and Technology of China. Sun og hans team vurderede de sidste års forskning på området og opsummerede de mest lovende veje frem i et papir offentliggjort den 2. juni i Nano Research Energy .

"Størstedelen af ​​Jordens atmosfære - 78% - er atmosfærisk nitrogen, hvilket gør det til den største kilde til nitrogen," sagde Sun. "Men atmosfærisk kvælstof har begrænset tilgængelighed til biologisk brug, hvilket fører til knaphed på brugbart kvælstof i mange typer af økosystemer, så det gennemgår forskellige former for transformation for at opretholde en balance. Menneskeheden har vippet Jordens nitrogenkredsløb ud af balance."

Nitrogen kredser gennem flere kemiske former, når det bevæger sig mellem økosystemer i atmosfæren, vand og land. Forud for Haber-Bosch-processens fremkomst har planter for eksempel skaffet ammonium fra nedbrydende mikroorganismer, der findes i kompost og gødning, som optager kvælstof og omdanner det. Planterne optager ammoniummet, fra mikroorganismerne eller fra gødning, ind i deres rødder, men de kan ikke bruge den overflod, som gødningen giver.

"Når planterødder ikke fjerner gødningen, løber noget af det væk fra marken og forurener vandvejene," sagde Sun. "Resten forbruges af en række jordmikroorganismer, der omdanner ammoniak til nitrit, derefter nitrat og til sidst til nitrogengas. Det kan kombineres med ilt til lattergas, almindeligvis kendt som lattergas, som er omkring 300 gange mere effektivt ved opvarme atmosfæren end kuldioxid."

Svaret, sagde Sun, kunne være elektrokatalyse. Denne proces bruger en katalysator til at fremskynde en kemisk reaktion på en elektrode, og den bruges almindeligvis i produkter som brændselsceller eller batterier.

"Elektrokatalyse er en enkel, men kraftfuld metode, der fungerer ved omgivende forhold, hvor katalytiske materialer bestemmer effektiviteten af ​​konverteringen," sagde Sun. "Nitrogencykluskatalysen indeholder adskillige omdannelsesreaktioner og tilsvarende potentielle elektrokatalysatorer, så en virkelig effektiv og stabil katalysator vil være vores bedste chance for at balancere nitrogenkredsløbet, især hvis det er fleksibelt, bæredygtigt og kompatibelt nok til at konvertere intermitterende vedvarende energi til værdi -tilsatte kemikalier med minimal kulstofemission."

Forskerne gennemgår specifikt, hvordan de seneste fremskridt inden for heterogene nanomaterialer eller afstembare atomare materialer, hvis specifikke størrelse og arrangement kan ændre reaktionen, kan bidrage med potentielle løsninger.

"Selvom der er udviklet et væld af katalysatorer, der viser god effektivitet og med mekanistiske forklaringer, er der stadig hårdt brug for store gennembrud," sagde Sun. "Vi håber, at dette papir vil bringe flere forskeres opmærksomhed på de problemer på dette område, der skal løses, herunder nøjagtige kvantitative metoder eller nye indikatorer til bestemmelse af katalysatoraktivitet; og virkelig effektive, stabile og økonomiske katalytiske systemer, som kræver katalysatoren , elektrolyt, reaktor og mere."

Sun sagde, at forskerne planlægger at fortsætte med at undersøge forskellige tilgange til udvikling af elektrokatalysatorer, der kan accelerere balanceringen af ​​nitrogenkredsløbet. + Udforsk yderligere

Dyrkning af kornafgrøder med mindre gødning