Steven McIntosh wil de manier waarop ammoniak wordt geproduceerd veranderen. Hij hoopt een levensvatbaar alternatief te creëren voor de conventionele methode, die enorme hoeveelheden energie verbruikt en schadelijke kooldioxide uitstoot. Hij onderzoekt een duurzame elektrochemische methode om de chemische reactie die ammoniak produceert efficiënt aan te sturen.

Ammoniak is een kleurloos gas gemaakt van één stikstof- en drie waterstofatomen. Het Haber-Bosch-proces - gecreëerd door de Duitse chemici Fritz Haber en Carl Bosch in het begin van de 20e eeuw - wordt gecrediteerd voor het mogelijk maken van massale voedselproductie, aangezien het belangrijkste industriële gebruik van ammoniak in de landbouw als meststof is.

Het Haber-proces, zoals het algemeen bekend is, combineert stikstof uit de lucht met waterstof afkomstig van aardgas - voornamelijk bestaande uit methaan - in een chemische reactie die onder zeer hoge druk werkt. Bij deze conventionele methode ijzer, de gebruikte katalysator, gemakkelijk "breekt" de waterstofatomen. Echter, er is een enorme hoeveelheid druk nodig om de stikstof op de katalysator te "duwen" om de reactie te stimuleren. In aanvulling, het proces van het genereren van waterstof uit methaan stoot grote hoeveelheden van het broeikasgas koolstofdioxide uit in de atmosfeer.

De productie van ammoniak verbruikt 1 tot 2% van de totale wereldwijde energie en is verantwoordelijk voor ongeveer 3% van de wereldwijde uitstoot van kooldioxide.

Gezien de noodzaak van een verhoogde voedselproductie als gevolg van de bevolkingsgroei - tegen 2050 zullen er 2 miljard mensen op de planeet komen - is het duidelijk dat er een duurzame methode moet komen om ammoniak te produceren.

McIntosh zegt het beknopter:"Het proces van het produceren van ammoniak is van cruciaal belang voor het overleven van de mens, is in meer dan honderd jaar niet veranderd en is een grote vervuiler. Het is tijd voor verandering."

McIntosh, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de Lehigh University, onderzoekt een methode om ammoniak te produceren die een dergelijke verandering zou kunnen stimuleren door elektriciteit te gebruiken om de chemische reactie aan te drijven. Zijn methode zou de noodzaak elimineren om hoge druk te gebruiken om de stikstofbindingen te verbreken. En, omdat het waterstof haalt uit water in plaats van aardgas, er zou geen uitstoot van kooldioxide zijn. Het belangrijkste bijproduct zou zuurstof zijn.

McIntosh ontving onlangs een driejarige onderzoeksbeurs voor samenwerking van de National Science Foundation (NSF) om dit onderzoek te ondersteunen. McIntosh zal het Lehigh-team leiden als hoofdonderzoeker in nauwe samenwerking met een team van de Universiteit van Pennsylvania, Hoogleraren Raymond J. Gorte, John M. Vohs en Aleksandra Vojvodic.

In een transformatieve paradigmaverschuiving zullen McIntosh en zijn collega's een methode onderzoeken om ammoniak te produceren uit waterstof en stikstof met behulp van een protongeleidende, keramiek, vaste-oxide elektrochemische cel. Hun centrale hypothese is dat atmosferische druk, ammoniaksynthese kan worden gerealiseerd door waterstof elektrochemisch op katalytische oppervlakken te drijven die normaal worden beperkt door een hoge nitridedekking.

"We zijn van plan om te experimenteren met verschillende katalysatoren, zoals wolfraam, die normaal gesproken bedekt zijn met stikstof, de balans van waterstof en stikstof verstoren die nodig is om de reactie te laten plaatsvinden, " zegt McIntosh. "We zullen deze onbalans oplossen door een elektrochemisch potentieel toe te passen om de waterstof op het katalysatoroppervlak te drijven en ammoniak te vormen."

Het project zal profiteren van de infiltratiemethoden die eerder zijn ontwikkeld voor de synthese van elektroden in vaste-oxidebrandstofcellen, waardoor een breed scala aan materialen voor de elektroden kan worden gebruikt. Het team zal ook gemengde elektronisch-protonische geleiders onderzoeken die aan de elektrode kunnen worden toegevoegd om de driefasengrens waar de elektrochemische reactie kan plaatsvinden te verbeteren. De keuze van elektrokatalysatoren zal worden geleid door complementaire theoretische studies.

McIntosh beschrijft de voorgestelde methode als het toevoegen van een "extra knop" - elektriciteit - aan het ammoniakproductieproces.

"Bij deze methode de waterstof zal uit water komen waardoor het een soort 'omgekeerde brandstofcel' wordt, ', zegt McIntosh.

Een brandstofcel combineert waterstof en zuurstof om water te maken en wekt daarbij elektriciteit op. De voorgestelde reactor zal elektriciteit gebruiken om water te splitsen om de waterstof te leveren die nodig is voor de ammoniaksynthese, het wegnemen van de noodzaak om aardgas te verbruiken en kooldioxide uit te stoten. Dit project zal resulteren in kleinschalige demonstratiecellen die de waterstof- en zuurstofatomen waaruit water bestaat scheiden, waterstof gebruiken en zuurstof uitstoten.

Volgens McIntosh, onderzoekers hebben vergelijkbare methoden voor de productie van ammoniak geprobeerd, maar waren in staat om heel weinig ammoniak te produceren. Als het om ammoniak gaat, het vermogen om het op industriële schaal te produceren is waar het om gaat.

Daarom is een van de hoofddoelen van het project het produceren van een redelijke ammoniakproductie. Een ander doel is om aan te tonen wat volgens McIntosh de potentiële "modulariteit" van deze techniek is.

uiteindelijk, deze nieuwe manier om ammoniak te produceren zou deel kunnen uitmaken van een grotere inspanning om de voedselproductie groener en duurzamer te maken.

"Het maken van ammoniak met de conventionele methode vereist een enorme energiebron, wat betekent dat het op één locatie moet worden gemaakt en vervolgens moet worden verzonden - wat bijdraagt ​​​​aan de inefficiëntie van de methode, ", zegt McIntosh. "De hoop is dat op een dag ammoniak ter plaatse kan worden geproduceerd met behulp van een modulaire cel zoals het soort dat we onderzoeken, aangedreven door een lokale elektriciteitsbron zoals zonnepanelen of windturbines."