Ongeveer de helft van de stikstof in ons lichaam is tegenwoordig afkomstig van bacteriën via het enzym stikstofase, die converteert, of "reparaties, " niet-reactief stikstofgas in de atmosfeer in een vorm die planten kunnen gebruiken voor groei. De andere helft wordt kunstmatig geproduceerd via een energie-intensief industrieel proces dat meer dan 100 jaar geleden is ontwikkeld. Dit proces, genaamd Haber-Bosch (H-B) naar de twee chemici die het ontwikkelden, produceert ammoniak door gebruik te maken van op ijzer gebaseerde katalysatoren om de reactie van stikstof uit de lucht en waterstof, voornamelijk afgeleid van methaan, te bevorderen. Via een ander chemisch proces (Ostwald), de ammoniak wordt geoxideerd (reageert met zuurstof) om salpeterzuur te produceren - een belangrijk meststofingrediënt.

Terwijl het H-B-proces een revolutie teweegbracht in ons vermogen om voedsel te verbouwen, het wordt grotendeels aangedreven door het gebruik van fossiele brandstoffen, verbruiken ongeveer twee procent van de wereldwijde energie. Het draagt ​​ook enorm bij aan de uitstoot van broeikasgassen, waarbij twee procent van de wereldwijde koolstofdioxide vrijkomt.

Een stappenplan voor onderzoek naar stikstofchemie

Het vinden van meer milieu- en energievriendelijke routes voor de omzetting van stikstof vereist de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren om de chemische reacties te versnellen en hernieuwbare energiebronnen om deze reacties te stimuleren. In oktober 2016, het U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science sponsorde een tweedaagse workshop voor nationale laboratorium- en universitaire wetenschappers met de relevante expertise om zich te concentreren op de uitdagingen en kansen van stikstofactivering. Een overzichtsartikel, voornamelijk gebaseerd op presentaties en discussies uit deze workshop, werd op 25 mei gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

"Het artikel biedt een routekaart voor fundamenteel onderzoek naar stikstoftransformatiereacties, " zei eerste en co-corresponderende auteur Jingguang Chen, een senior chemicus bij DOE's Brookhaven National Laboratory en de Thayer Lindsley Professor of Chemical Engineering aan de Columbia University. "Veel van deze reacties kunnen plaatsvinden onder relatief milde omstandigheden - zonder de hoge temperaturen of drukken die nodig zijn in HB - maar de uitdaging is om katalysatoren te identificeren die actief zijn, selectief, en stabiel." Chen; co-corresponderende auteur Richard Crooks, de Robert A. Welch-leerstoel in materiaalchemie aan de Universiteit van Texas in Austin; en Lance Seefeldt, een professor in de afdeling Scheikunde en Biochemie aan de Utah State University, stelden gezamenlijk het onderwerp voor en waren medevoorzitter van de workshop.

Onderzoek naar alternatieve routes voor stikstoftransformatie zonder het gebruik van fossiele brandstoffen als energiebron begint met een analyse van de thermodynamica. Om stikstofgas te reduceren of te oxideren, de zeer stabiele drievoudige binding die de twee stikstofatomen stevig bij elkaar houdt, moet worden verbroken.

"Voordat we nieuwe katalysatoren met de juiste eigenschappen proberen te vinden, we moeten bepalen of de reactiepaden van de alternatieve routes energetisch haalbaar zijn, " legde co-auteur en Brookhaven Lab-chemicus Sergei Lymar uit. "Er bestaan ​​​​veel thermodynamisch haalbare routes, maar ze zijn de afgelopen 100 jaar grotendeels over het hoofd gezien omdat H-B zo succesvol is geweest. Hoewel er geen garantie is dat we deze reacties op grote schaal kunnen uitvoeren, de thermodynamische berekeningen geven ons een startpunt van waaruit we potentiële katalytische materialen kunnen screenen."

Mogelijke routes voor het omzetten van stikstof

Het Science-artikel beschrijft verschillende alternatieve processen voor oxidatieve en reductieve stikstoftransformaties. Aan de kant van de reductie, een mogelijkheid is om methaan te vervangen door water als waterstofbron in het H-B-proces. Een katalysator kan water splitsen in waterstof en zuurstof, met behulp van energie opgewekt door zonnepanelen of windturbines. Een ander idee is om het H-B-proces helemaal te elimineren, in plaats daarvan rechtstreeks ammoniak produceren in elektrochemische cellen met elektrokatalysatoren of fotokatalysatoren (lichtgevoelige materialen) aan de elektroden. De cellen kunnen worden aangedreven door hernieuwbare energie of zelfs stikstofbindende bacteriën.

"Elektrochemische transformaties zijn intrinsiek schoon, " zei Crooks. "Maar de beperkte hoeveelheid onderzoek die is gericht op de elektrochemie van stikstof heeft niet eens een duidelijke richting voor toekomstig onderzoek opgeleverd."

Wetenschappers proberen ook te begrijpen hoe stikstofase werkt bij lage temperaturen en drukken en zonder waterstofgas. Als ze de functie van dit enzym kunnen nabootsen, ze zouden nieuwe katalysatoren voor moleculaire stikstofreductie kunnen ontwerpen die werken onder minder zware omstandigheden dan die van H-B.

Met dergelijke duurzame benaderingen zou ammoniak op een gedistribueerde manier kunnen worden geproduceerd in plaats van via de gecentraliseerde H-B-faciliteiten die momenteel aanwezig zijn. Deze gedistribueerde productie is vooral belangrijk in ontwikkelingslanden die te maken hebben met een snelle bevolkingsgroei, maar niet genoeg kapitaal hebben om grote chemische fabrieken te bouwen en de infrastructuur om meststoffen te transporteren. Als zonnepanelen in de buurt van landbouwvelden worden geïnstalleerd, bijvoorbeeld, de energie uit zonlicht zou de energetische elektronen kunnen creëren die nodig zijn om stikstof tot ammoniak te reduceren, indien geschikte katalysatoren beschikbaar zijn.

Aan de oxidatiekant wetenschappers onderzoeken de directe reactie tussen stikstof en zuurstofgas om salpeterzuur te produceren. Bijna alle 50 miljoen ton salpeterzuur die jaarlijks wordt geproduceerd, wordt indirect geproduceerd via het Ostwald-proces door de oxidatie van H-B-gegenereerde ammoniak.

"De huidige manier waarop salpeterzuur wordt geproduceerd, is een beetje achterlijk vanuit het oogpunt van de elektronenstroom, "zei Lymar. "Eerst, stikstof wordt gereduceerd tot ammoniak en vervolgens wordt ammoniak geoxideerd tot salpeterzuur, verspreid over alle acht oxidatietoestanden van stikstof. Het zou praktischer zijn om stikstof direct te oxideren met zuurstof, maar deze reactie wordt alleen spontaan bij extreme temperaturen."

Een idee om dit probleem op te lossen is om stikstof te oxideren bij lage temperatuur, niet-thermische plasma's - zwak geïoniseerde gassen die "hete" energetische elektronen en moleculen bij kamertemperatuur bevatten, atomen, en ionen. Door trillingsopwekkende stikstofmoleculen, niet-thermische plasma's kunnen katalysatoren helpen de oxidatiereactie te versnellen.

Het artikel beschrijft ook benaderingen om luchtvervuilende stikstofoxiden te verminderen. Deze gassen ontstaan ​​wanneer stikstof en zuurstof reageren tijdens de verbranding. De uitlaatgassen van voertuigen zijn een belangrijke bron van stikstofoxiden, die bijdragen aan de vorming van smog en zure regen. Bepaalde bacteriën hebben enzymen die stikstofoxiden reduceren tot stikstofgas, en deze denitrificerende bacteriën zullen waarschijnlijk een inspiratiebron zijn voor wetenschappers die nieuwe katalysatoren voor milieubescherming willen ontwerpen.

"Vooruitgang op elk van deze gebieden vereist een begrip op moleculair niveau van natuurlijke en kunstmatige stikstoftransformatiereacties, " zei Chen. "Het doel van dit artikel is om aanwijzingen te geven voor fundamenteel onderzoek, hopelijk leidend tot de ontwikkeling van eenvoudige, energiezuinige routes voor het manipuleren van de redoxtoestanden van stikstof."