De zoektocht naar een meer energie-efficiënte en milieuvriendelijkere methode van ammoniakproductie voor kunstmest heeft geleid tot de ontdekking van een nieuw type katalytische reactie.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikten koolstofpieken op nanoschaal om een ​​reactie te katalyseren die ammoniak genereert uit stikstof en water. geholpen door lithiumzout en de toepassing van een elektrisch veld. De studie, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onthult een type katalysator dat theoretisch is gesuggereerd maar nooit is aangetoond.

"Het is een katalysator die volledig werkt op basis van het elektrische veld; dit is nog nooit waargenomen voor stikstof, " zei Adam Rondinone van ORNL, hoofdauteur van de studie. "We noemen het een fysieke katalysator - normaal is een katalysator chemisch."

ammoniak, een verbinding gemaakt van één stikstofatoom en drie waterstofatomen, wordt meestal geproduceerd via de energie-intensieve Haber-Bosch-benadering. Dit proces maakt gebruik van hoge temperatuur en druk om de stabiele bindingen van moleculaire stikstof te splitsen, grote hoeveelheden aardgas nodig hebben. De industriële productie van ammoniak verbruikt naar schatting 3 procent van de wereldenergie en genereert 3 tot 5 procent van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.

"Ammoniakproductie is een enorm probleem dat we moeten vinden om aan te pakken, " zei Rondinone. "Bij het nastreven van dit doel, we hebben een reactiemechanisme ontdekt dat ons een nieuwe weg geeft."

In tegenstelling tot Haber-Bosch, het proces van het team vindt plaats bij kamertemperatuur in een oplossing van water, opgelost stikstofgas en lithiumperchloraatzout, met behulp van een unieke katalysator in de vorm van koolstofspikes op nanoschaal. Deze spikes, slechts 50-80 nanometer lang en één nanometer breed aan de punt, fungeren als hotspots om het elektrische veld te versterken en positief geladen lithiumionen aan te trekken. Er wordt verondersteld dat lithium stikstofmoleculen meesleurt, die zich concentreren rond de geëlektrificeerde koolstofpieken en beginnen te reageren om ammoniak te vormen.

"Elke normale katalysator werkt door een chemische binding te vormen tussen het reactieve molecuul en het katalysatoroppervlak. In dit geval er is geen chemische binding nodig. Het is gewoon het hoge elektrische veld dat de reactie laat verlopen, ' zei Rondinone.

De lage opbrengst van de reactie - ongeveer 12 procent - beperkt de levensvatbaarheid ervan voor industrieel gebruik, maar de ontdekking van zijn unieke elektrochemie kan helpen bij het ontwikkelen van alternatieve benaderingen voor het genereren van ammoniak.

De onderzoekers gebruikten ook computationele modellering en simulatie om hun experimentele resultaten te begrijpen. Ze berekenden theoretische voorspellingen van het elektrische veld, de verrijking van ionen rond de koolstofpieken en de moleculaire orbitale energieën van stikstof om te beschrijven hoe de moleculen in het elektrische veld destabiliseerden.

"Vanwege de scherpe nanospike-tips, het lokale elektrische veld is inderdaad erg sterk, in de orde van 10 volt per nanometer, " zei ORNL-theoreticus Jingsong Huang. "We hebben berekeningen uitgevoerd om het ionisatiepotentieel en de elektronenaffiniteit van stikstof onder aangelegde elektrische velden te bestuderen, en die berekeningen suggereren dat anders inerte stikstof reactief wordt."

De studie is gepubliceerd als "A Physical Catalyst for the Electrolysis of Nitrogen to Ammonia."

Co-auteurs zijn ORNL's Yang Song, Daniël Johnson, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Jingong Huang, Arthur Baddorf, Timothy Tschaplinski, Nancy Engel, Zili Wu, David Cullen, Harry Meijer III, Bobby Sumpter en Adam Rondinone, Fengchang Yang van Virginia Tech, Fei Zhang en Rui Qiao, en Marta Hatzell van Georgia Tech.