Ny fotokatalysator producerer ammoniak fra atmosfærisk nitrogen ved stuetemperatur uden fossile brændstoffer

Ammoniak (NH₃ ) er en vigtig komponent i gødning og en lovende kulstoffri energibærer. Ammoniakproduktionen bruger dog omkring 2 procent af verdens samlede energiproduktion og frigiver 500 Mt kuldioxid årligt. Et forskerhold ledet af forskere ved City University of Hong Kong (CityU) udviklede en ny slags fotokatalysator, der kan producere ammoniak fra atmosfærisk nitrogen ved stuetemperatur ved hjælp af sollys. Denne nye metode overgik den konventionelle måde, som forårsager massive kulstofemissioner. Forskerholdet mente, at en sådan teknologi til bæredygtig ammoniakproduktion ville fremme udviklingen af ​​den fremtidige kvælstoføkonomi.

Denne forskning blev ledet af professor Leung Kwok Hi Michael, Shun Hing Education and Charity Fund professor i energi og miljø og adjunkt Dr. Shang Jin, begge fra CityU's School of Energy and Environment (SEE), samt en lærd fra Australien. Deres resultater blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano under titlen "Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal-Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation."

Ammoniak:et brændstof i vækst, der kan erstatte olie og kul ved produktion af elektricitet

Ammoniak er en vigtig bestanddel af fødevarer og gødning. Det meste af den kunstige ammoniak bruges til fremstilling af gødning til landbruget. Ammoniak er også et vigtigt kemikalie med en bred vifte af industriel anvendelse, fra fremstilling af rengøringsmidler til kølemidler. Endnu vigtigere er, at ammoniak har tiltrukket sig stor opmærksomhed i de senere år, fordi det er en kilde til brint til brændselsceller, og det er lettere at blive flydende og transporteret end brint. Desuden kan ammoniak i sig selv tjene som brændstof til energiproduktion, bortset fra olie og kul. Så der er en enorm efterspørgsel efter at producere ammoniak.

Nuværende produktionsmetode:Skadelig for miljøet

"Fiksering" af nitrogen er et vigtigt skridt, før man producerer ammoniak. Selvom 80 procent af atmosfæren består af nitrogen, kan dette "frie" kvælstof ikke udnyttes, før det omdannes til kvælstofholdige forbindelser. Denne konverteringsproces kaldes "nitrogenfiksering."

Nitrogenfiksering kan udføres naturligt eller kunstigt. Den kunstige måde refererer sædvanligvis til den industrielle Haber-Bosch-proces ved forhøjet temperatur og tryk, ved at bruge jern som katalysator til at producere ammoniak fra nitrogen og brint. I dag er ammoniakproduktionen stærkt afhængig af Haber-Bosch-processen, men den er ikke bæredygtig, fordi den forbruger en enorm mængde fossile brændstoffer og forårsager massive kuldioxidemissioner.

For at lede efter en bæredygtig måde at producere ammoniak på, samler professor Leung og Dr. Jin deres teams for at udvikle en tilgang til nitrogenfiksering ved omgivende forhold ved hjælp af vand og vedvarende energi. Den største udfordring for det fælles team var at lave en katalysator, der muliggør den udfordrende flertrinsreaktion med nitrogenfiksering.

Ny biomimetisk fotokatalysator

I naturen binder jern i nitrogenase (en slags enzym) positivt og aktiverer nitrogen, og porphyrin (en slags organisk forbindelse) i klorofyl høster effektivt sollys. Inspireret af ovennævnte naturmekanismer udviklede holdet en jernmetaliseret porphyrin-baseret fotokatalysator (MOF'er).

Denne biomimetiske fotokatalysator, med kun 15 til 25 nm i tykkelse, kan producere ammoniak efter at have opnået kunstig nitrogenfiksering drevet af sollys og ved at bruge vand som reduktionsmiddel ved omgivende temperatur og tryk.

Holdet brugte MOF'er i denne fotokatalysator, fordi det gav flere aktive steder på overfladen til adsorption og aktivering af nitrogen. Så effektiviteten af ​​nitrogenreduktionsreaktionen forbedres.

Holdet udførte eksperimenter med denne fotokatalysator og beviste, at ammoniak kunne produceres. "Vi udviklede en ny fotokatalysator, der er i stand til at opnå den bedste fotokatalytiske nitrogenfikseringsydelse i kategorien af ​​MOFs-baserede fotokatalysatorer. Den udviser et af de højeste ammoniakudbytter og den bedste hydrolytiske stabilitet i MOFs," sagde professor Leung. God hydrolytisk stabilitet betyder, at fotokatalysatoren skal bruges gentagne gange.

Gennem denne forskning udforskede holdet den fotokatalytiske nitrogenreduktionsreaktion på deres biomimetiske fotokatalysator. Dr. Shang påpegede, at den nye viden opnået fra dette arbejde ville guide det rationelle design af næste generation af MOFs-baserede fotokatalysatorer. Han mente, at deres resultater ville frigøre potentialet til at udvikle forskellige porphyrin-baserede MOF'er som fotokatalysatorer til forskellige energi- og miljøapplikationer.

Holdet håbede, at dette banebrydende studie ville inspirere videnskabsmænd og ingeniører inden for katalyse til at udforske og udvikle MOFs-baserede biomimetiske fotokatalysatorer til at katalysere andre kemiske reaktioner ved omgivende temperatur og tryk, ikke begrænset til kunstig nitrogenfiksering.

"At producere energi og råvarekemikalier via fossilbrændstoffrie processer er ideelle til at opnå kulstofneutralitet. Denne forskning udviklede en teknologi til at producere ammoniak fra atmosfærisk nitrogen og vand ved at høste sollys. Vi opnåede bæredygtigt kulstoffri energi," konkluderede professor Leung. Holdet mente, at deres resultater ville hjælpe med at afbøde den stadig mere presserende energikrise og miljøproblemer. + Udforsk yderligere

Den nye alkymi inden for kulstofneutralitet:Forvandling af vand til ammoniak med kun vedvarende energi