Onze samenleving heeft meer dan ooit ammoniak nodig. Kunstmest, plastic, vezels, geneesmiddelen, koelmiddelen in warmtepompen, en zelfs explosieven gebruiken allemaal ammoniak als grondstof. Bovendien, ammoniak is onlangs gesuggereerd als een waterstofdrager vanwege het hoge waterstofgehalte.

In het Haber-Bosch-proces wat de belangrijkste methode is voor de synthese van ammoniak, stikstof reageert met waterstof met behulp van een metaalkatalysator om ammoniak te produceren. Echter, dit industriële proces wordt uitgevoerd bij 200 atm en hoge reactietemperaturen van bijna 500°C. Aanvullend, ammoniakproductie vereist veel aardgas, dus hebben wetenschappers gezocht naar alternatieve methoden om ammoniak duurzaam te synthetiseren bij lage temperatuur.

In een recente studie, onderzoekers van Waseda University en Nippon Shokubai Co. Ltd. bereikten een zeer efficiënte ammoniaksynthese bij lage temperatuur, met de hoogste opbrengst ooit gerapporteerd.

"Door een elektrisch veld toe te passen op de katalysator die in ons experiment werd gebruikt, we hebben een efficiënte, kleinschalig proces voor ammoniaksynthese onder zeer milde omstandigheden, " zegt professor Yasushi Sekine van de Waseda University. "Door deze nieuwe methode te gebruiken, we kunnen zeer zuivere ammoniak verzamelen als gecomprimeerde vloeistof en deuren openen naar de ontwikkeling van on-demand ammoniakproductie-installaties die draaien op hernieuwbare energie."

Dit onderzoek is gepubliceerd in Chemische Wetenschappen .

1972, ruthernium (Ru) -katalysator met alkalimetalen bleek de reactietemperaturen en -drukken te verlagen die nodig zijn voor de verwerking van Haber-Bosch, en sinds deze ontdekking zijn er verschillende methoden voorgesteld. Helaas, de ammoniaksynthesesnelheid werd belemmerd door kinetische beperkingen.

"We hebben gelijkstroom elektrisch veld toegepast op de Ru-CS-katalysator voor onze ammoniaksynthese. Onze onderzoeksgroep behaalde een opmerkelijk hoog ammoniakveld van ongeveer 30 mmol gcat-1h-1 met een hoge productie-energie-efficiëntie. Om nog maar te zwijgen, dit werd gedaan bij lage reactietemperaturen en drukken van atmosferisch tot 9 atm, die kinetisch controleerbaar is. Ook het energieverbruik om ammoniak te produceren was erg laag."

Hoe de onderzoekers dergelijke resultaten konden verkrijgen, kan worden verklaard door een mechanisme dat oppervlakteproton-hopping wordt genoemd, een unieke oppervlaktegeleiding veroorzaakt door een elektrisch veld.

"Onze experimentele onderzoeken, inclusief elektronenmicroscoopobservatie, infrarood spectroscopie metingen, en isotopenuitwisselingstests met stikstofgas, bewijzen dat protonhoppen een belangrijke rol speelt bij de reactie, omdat het zelfs bij lage temperaturen stikstofgas activeert en de eisen van de zware omstandigheden matigt, " legt professor Sekine uit.

De nieuwe techniek pakt ook obstakels in de conventionele ammoniaksynthese aan, zoals waterstofvergiftiging van Ru-katalysatoren en vertraging in stikstofdissociatie. Verder, de onderzoeksresultaten suggereren dat kleinschaliger, meer verspreide ammoniakproductie kan worden gerealiseerd, en het bouwen van zeer efficiënte ammoniakcentrales die draaien op hernieuwbare energie wordt mogelijk. Dergelijke ammoniakfabrieken zullen naar verwachting 10 tot 100 ton ammoniak per dag produceren. Professor Sekine gelooft dat hun bevindingen belangrijk zullen zijn voor toekomstige energie- en materiaalbronnen.