De oplossing voor een 75 jaar oud materiaalmysterie zou boeren in ontwikkelingslanden op een dag in staat kunnen stellen om hun eigen mest op aanvraag te produceren, met behulp van zonlicht en stikstof uit de lucht.

Dankzij een gespecialiseerde röntgenbron in het Lawrence Berkeley National Laboratory, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben het bestaan ​​van een lang veronderstelde interactie tussen stikstof en titaniumdioxide (TiO ₂ ) - een veelvoorkomend fotoactief materiaal dat ook bekend staat als titania - in aanwezigheid van licht. Aangenomen wordt dat de katalytische reactie koolstofatomen gebruikt die als verontreinigingen op het titania worden gevonden.

Als de stikstofbindende reactie kan worden opgeschaald, het zou op een dag kunnen helpen bij het aandrijven van schone kunstmestproductie op boerderijschaal die de afhankelijkheid van kapitaalintensieve gecentraliseerde productiefaciliteiten en dure distributiesystemen zou kunnen verminderen die de kosten voor boeren in geïsoleerde gebieden van de wereld opdrijven. Het grootste deel van 's werelds kunstmest wordt nu gemaakt met ammoniak geproduceerd door het Haber-Bosch-proces, waarvoor grote hoeveelheden aardgas nodig zijn.

"In de Verenigde Staten, we hebben een uitstekend productie- en distributiesysteem voor kunstmest. Echter, veel landen kunnen het zich niet veroorloven om Haber-Bosch-fabrieken te bouwen, en hebben misschien niet eens voldoende transportinfrastructuur om meststoffen te importeren. Voor deze regio's is fotokatalytische stikstofbinding kan nuttig zijn voor de productie van kunstmest op aanvraag, " zei Marta Hatzell, een assistent-professor aan de Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech. "Uiteindelijk, dit kan een goedkoop proces zijn dat op kunstmest gebaseerde voedingsstoffen beschikbaar kan maken voor een breder scala aan boeren."

Hatzell en medewerker Andrew Medford, een assistent-professor aan de Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering, werken samen met wetenschappers van het International Fertilizer Development Centre (IFDC) om de mogelijke effecten van het reactieproces te bestuderen. Het onderzoek werd op 29 oktober gerapporteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Het onderzoek begon meer dan twee jaar geleden toen Hatzell en Medford begonnen samen te werken aan een materiaalmysterie dat zijn oorsprong vond in een artikel uit 1941 gepubliceerd door Seshacharyulu Dhar, een Indiase bodemwetenschapper die aangaf een toename van ammoniak te hebben waargenomen die wordt uitgestoten door compost die wordt blootgesteld aan licht. Dhar suggereerde dat een fotokatalytische reactie met mineralen in de compost verantwoordelijk zou kunnen zijn voor de ammoniak.

Sinds dat papier andere onderzoekers hebben melding gemaakt van stikstoffixatie op de productie van titania en ammoniak, maar de resultaten zijn niet consequent experimenteel bevestigd.

Medford, een theoreticus, werkte samen met afgestudeerde onderzoeksassistent Benjamin Comer om de chemische routes te modelleren die nodig zouden zijn om stikstof op titania te fixeren om mogelijk ammoniak te creëren met behulp van aanvullende reacties. De berekeningen suggereerden dat het voorgestelde proces hoogst onwaarschijnlijk was op pure titania, en de onderzoekers slaagden er niet in een beurs te winnen die ze hadden voorgesteld om het mysterieuze proces te bestuderen. Echter, ze kregen experimentele tijd op de geavanceerde lichtbron van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, waardoor ze eindelijk een belangrijk onderdeel van de hypothese konden testen.

Dankzij gespecialiseerde apparatuur in het laboratorium konden Hatzell en afgestudeerde student Yu-Hsuan Liu röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) gebruiken om het oppervlak van titania als stikstof te onderzoeken, water en zuurstof interageerden met de oppervlakken onder bijna-omgevingsdruk in het donker en in het licht. Aanvankelijk, de onderzoekers zagen geen fotochemische stikstoffixatie, maar naarmate de experimenten vorderden, ze observeerden een unieke interactie tussen stikstof en titania wanneer licht op het mineraaloppervlak werd gericht.

Wat was de oorzaak van het aanvankelijke gebrek aan resultaten? Hatzell en Medford zijn van mening dat oppervlakteverontreiniging met koolstof, waarschijnlijk afkomstig van een koolwaterstof, een noodzakelijk onderdeel is van het katalytische proces voor stikstofreductie op titania. "Voorafgaand aan het testen, de monsters worden gereinigd om bijna alle sporenkoolstof van het oppervlak te verwijderen, echter tijdens experimenten kan koolstof uit verschillende bronnen (gassen en de vacuümkamer) sporen van koolstof terug op het monster introduceren, " legde Hatzell uit. "Wat we hebben waargenomen, was dat gereduceerde stikstofsoorten alleen werden gedetecteerd als er een mate van koolstof op het monster was."

De hypothese van koolwaterstofverontreiniging zou verklaren waarom eerder onderzoek inconsistente resultaten had opgeleverd. Koolstof is altijd aanwezig in sporenniveaus op titania, maar het verkrijgen van de juiste hoeveelheid en type kan de sleutel zijn om de veronderstelde reactie te laten werken.

"We denken dat dit de raadselachtige resultaten verklaart die in de literatuur waren gerapporteerd, en we hopen dat het inzicht geeft in hoe nieuwe katalysatoren kunnen worden ontwikkeld met behulp van dit 75 jaar oude mysterie, " Zei Medford. "Vaak zijn de beste katalysatoren materialen die zeer ongerept zijn en in een schone kamer worden gemaakt. Hier heb je precies het tegenovergestelde - deze reactie heeft eigenlijk de onzuiverheden nodig, wat gunstig kan zijn voor duurzame toepassingen in de landbouw."

De onderzoekers hopen de rol van koolstof experimenteel te bevestigen met aanstaande tests in het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), waardoor ze de koolstof direct kunnen onderzoeken tijdens het fotokatalytische stikstoffixatieproces. Ze hopen ook meer te weten te komen over het katalytische mechanisme, zodat ze de reactie beter kunnen beheersen om de efficiëntie te verbeteren, dat is momenteel minder dan één procent.

Het onderzoek dat in het tijdschrift wordt gerapporteerd, heeft geen ammoniak gemeten, maar Hatzell en haar studenten hebben het sindsdien ontdekt in tests op laboratoriumschaal. Omdat de ammoniak momenteel op zulke lage niveaus wordt geproduceerd, de onderzoekers moesten voorzorgsmaatregelen nemen om besmetting op basis van ammoniak te voorkomen. "Zelfs tape die op apparatuur wordt gebruikt, kan kleine hoeveelheden ammoniak creëren die de metingen kunnen beïnvloeden, ', voegde Medford eraan toe.

Hoewel de hoeveelheden ammoniak die door de reactie worden geproduceerd momenteel laag zijn, Hatzell en Medford zijn van mening dat met procesverbeteringen, de voordelen van kunstmestproductie ter plaatse onder gunstige omstandigheden zouden die beperking kunnen overwinnen.

"Hoewel dit in eerste instantie misschien belachelijk klinkt vanuit een praktisch perspectief, als je echt kijkt naar de behoeften van het probleem en het feit dat zonlicht en stikstof uit de lucht gratis zijn, op kostenbasis begint het er interessanter uit te zien, "Zei Medford. "Als je een kleinschalige ammoniakproductiefaciliteit zou kunnen exploiteren met voldoende capaciteit voor één boerderij, je hebt meteen het verschil gemaakt."

Hatzell schrijft de allernieuwste oppervlaktewetenschap toe met het feit dat hij eindelijk een verklaring voor het mysterie heeft gegeven.

"Sinds eerdere onderzoekers hiernaar keken, er zijn aanzienlijke vorderingen gemaakt op het gebied van meting en oppervlaktewetenschap, " zei ze. "De meeste metingen van de oppervlaktewetenschap vereisen het gebruik van ultrahoge vacuümomstandigheden die niet de katalytische omgeving nabootsen die u wilt onderzoeken. De bijna-omgevingsdruk XPS in het Lawrence Berkeley National lab, stelde ons in staat een stap dichter bij het observeren van deze reactie in zijn oorspronkelijke omgeving te komen."