Onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame ontwikkelen een aanpak voor hernieuwbare energie voor het synthetiseren van ammoniak, een essentieel onderdeel van meststoffen die de wereldvoedselproductiebehoeften ondersteunen. Het Haber-Bosch-proces dat in de vroege jaren 1900 werd ontwikkeld voor de productie van ammoniak is gebaseerd op niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen en heeft beperkte toepassingen voor alleen grote, gecentraliseerde chemische fabrieken.

Het nieuwe proces, gepubliceerd in Natuur Katalyse , gebruikt een plasma - een geïoniseerd gas - in combinatie met niet-edelmetaalkatalysatoren om ammoniak te genereren onder veel mildere omstandigheden dan mogelijk is met Haber-Bosch. De energie in het plasma prikkelt stikstofmoleculen, een van de twee componenten die nodig zijn om ammoniak te maken, waardoor ze gemakkelijker kunnen reageren op de katalysatoren. Omdat de energie voor de reactie uit het plasma komt in plaats van hoge hitte en intense druk, het proces kan op kleine schaal worden uitgevoerd. Dit maakt het nieuwe proces zeer geschikt voor gebruik met intermitterende hernieuwbare energiebronnen en voor gedistribueerde ammoniakproductie.

"Plasma's worden door velen beschouwd als een manier om ammoniak te maken die niet afhankelijk is van fossiele brandstoffen en die het potentieel had om op een minder gecentraliseerde manier te worden toegepast, " zei William Schneider, H. Clifford en Evelyn A. Brosey hoogleraar techniek, aangesloten lid van ND Energy en co-auteur van de studie. "De echte uitdaging was om de juiste combinatie van plasma en katalysator te vinden. Door moleculaire modellen te combineren met resultaten in het laboratorium, we konden ons concentreren op combinaties die nog nooit eerder waren overwogen."

Het onderzoeksteam onder leiding van Schneider; David Ga, Rooney Family Universitair hoofddocent engineering in lucht- en ruimtevaart en werktuigbouwkunde; en Jason Hicks, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering, ontdekte dat omdat de stikstofmoleculen worden geactiveerd door het plasma, de eisen aan de metaalkatalysatoren zijn minder streng, waardoor er gedurende het hele proces minder dure materialen kunnen worden gebruikt. Deze benadering overwint fundamentele limieten van het door warmte aangedreven Haber-Bosch-proces, waardoor de reactie kan worden uitgevoerd met Haber-Bosch-snelheden onder veel mildere omstandigheden.

"Het doel van ons werk was om een ​​alternatieve benadering te ontwikkelen voor het maken van ammoniak, maar de inzichten die voortkomen uit deze samenwerking tussen onze onderzoeksgroepen kunnen worden toegepast op andere moeilijke chemische processen, zoals het omzetten van kooldioxide in een minder schadelijk en nuttiger product. Terwijl we doorgaan met het bestuderen van plasma-ammoniaksynthese, we zullen ook bekijken hoe plasma en katalysatoren anders zouden kunnen profiteren van andere chemische transformaties, ' zei Hicks.