Op stikstof gebaseerde kunstmest vormt de ruggengraat van de wereldvoedselvoorziening, maar de vervaardiging ervan vereist een enorme hoeveelheid energie. Nutsvoorzieningen, computermodellering aan de Princeton University wijst op een methode die de benodigde energie drastisch kan verminderen door zonlicht in het productieproces te gebruiken.

Fabrikanten maken momenteel kunstmest, farmaceutische en andere industriële chemicaliën door stikstof uit de lucht te halen en te combineren met waterstof. Stikstofgas is er in overvloed, ongeveer 78 procent van de lucht uitmaken. Maar atmosferische stikstof is moeilijk te gebruiken omdat het is opgesloten in paren atomen, genaamd N ₂ , en de binding tussen deze twee atomen is de op één na sterkste in de natuur. Daarom kost het veel energie om de N . op te splitsen ₂ molecuul en laat de stikstof- en waterstofatomen combineren. De meeste fabrikanten gebruiken het Haber-Bosch-proces, een eeuwenoude techniek die de N . blootlegt ₂ en waterstof tot een ijzerkatalysator in een kamer verwarmd tot meer dan 400 graden Celsius. De methode gebruikt zoveel energie dat Wetenschap tijdschrift meldde dat de productie van kunstmest en soortgelijke verbindingen elk jaar ongeveer 2 procent van het wereldwijde energieverbruik vertegenwoordigt.

Een onderzoeksteam onder leiding van Emily Carter, Princeton's decaan van engineering en de Gerhard R. Andlinger Professor in Energy and the Environment, wilde weten of het mogelijk zou zijn om licht te gebruiken om de binding in het atmosferische stikstofmolecuul te verzwakken. Als, het zou fabrikanten in staat stellen om de energie die nodig is om stikstof te splitsen voor gebruik in kunstmest en een breed scala aan andere producten radicaal te verminderen.

"Het benutten van de energie in zonlicht om inerte moleculen zoals stikstof, en broeikasgassen methaan en kooldioxide trouwens, is een grote uitdaging voor duurzame chemische productie, " zei Carter, die hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek en toegepaste en computationele wiskunde is. "Traditionele energie-intensieve hoge temperatuur vervangen, chemische productie onder hoge druk met door zonlicht aangedreven, kamertemperatuurprocessen is een andere manier om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen."

De onderzoekers wilden profiteren van het unieke gedrag van licht wanneer het interageert met metalen nanostructuren die kleiner zijn dan een enkele golflengte van licht. Onder andere effecten, het fenomeen, oppervlakteplasmonresonantie genoemd, kan licht concentreren en elektrische velden versterken. Dr. John Mark Martirez, een postdoctoraal onderzoeker en lid van het onderzoeksteam van Princeton, zei dat de onderzoekers geloofden dat het mogelijk zou zijn om plasmonresonanties te gebruiken om het vermogen van een katalysator te vergroten om stikstofmoleculen te splitsen.

"Het is een andere methode om energie te leveren om de band te verbreken, " zei hij. "In plaats van warmte te gebruiken, we gebruiken licht."

In een artikel van 5 januari in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , de onderzoekers beschrijven hoe ze computersimulaties gebruikten om het gedrag van licht te modelleren in kleine structuren gemaakt van goud en molybdeen. Goud is een van een klasse van metalen, inclusief koper en aluminium, die kan worden gevormd om oppervlakteplasmonresonanties te produceren. De onderzoekers gebruikten een set computermodelleringstools om nanostructuren van goud te simuleren, en voegde molybdeen toe aan het oppervlak, dat is een metaal dat stikstofmoleculen kan splitsen.

"Het plasmonische metaal werkt als een bliksemafleider, "Zei Martirez. "Het concentreert een grote hoeveelheid van de lichtenergie in een zeer klein gebied."

De geconcentreerde lichtenergie verhoogt effectief het vermogen van het molybdeen om de twee stikstofatomen uit elkaar te trekken.

"De interactie van licht vergroot het elektrische veld dichtbij het oppervlak van de katalysator, die helpt de band te verbreken, ' zei Martirez.

De berekeningen van de onderzoekers geven aan dat de plasmon-resonantietechniek in staat zou moeten zijn om de energie die nodig is om de atmosferische stikstofmoleculen te kraken aanzienlijk te verminderen. Carter zei dat de modellering aangeeft dat het mogelijk moet zijn om het stikstofmolecuul te dissociëren bij kamertemperatuur en bij lagere drukken dan vereist door het Haber-Bosch-proces.

Het was een uitdaging om het proces te simuleren en tegelijkertijd rekening te houden met het effect van licht. De meeste computermodellen die chemische reacties op moleculair niveau nauwkeurig kunnen beoordelen, en rekening houden met veranderingen veroorzaakt door licht, kan slechts een paar atomen tegelijk simuleren. Hoewel dit wetenschappelijk waardevol is, het is meestal niet voldoende om industriële processen te evalueren.

Dus wendden de onderzoekers zich tot een techniek die oorspronkelijk door Carter is ontwikkeld en waarmee wetenschappers zeer nauwkeurige methoden kunnen gebruiken voor het modelleren van een klein fragment van het oppervlak en die resultaten vervolgens kunnen uitbreiden om een ​​breder systeem te begrijpen. De techniek, zogenaamde ingebedde gecorreleerde golffunctietheorie, is herhaaldelijk geverifieerd en uitgebreid gebruikt binnen de Carter-groep, en de onderzoekers hebben vertrouwen in de toepassing ervan op het stikstofsplitsingsprobleem.

Carter zei dat haar team samenwerkt met Naomi Hallas en Peter Nordlander van Rice University om de plasmonresonantietechniek in het laboratorium te testen. De onderzoekers werkten in het verleden samen aan soortgelijke projecten, inclusief het demonstreren van de dissociatie van waterstofmoleculen op puur gouden nanodeeltjes.

Als volgende stap, Carter zei dat ze de plasmonresonantietechniek zou willen uitbreiden naar andere sterke chemische bindingen. Een kandidaat is de koolstof-waterstofbinding in methaan. Fabrikanten gebruiken aardgas om de waterstof in kunstmest te leveren, evenals andere belangrijke industriële chemicaliën. Dus het vinden van een energiezuinige methode om die band te verbreken, kan ook een zegen zijn voor de productie.