ammoniak, een verbinding die ongeveer een eeuw geleden voor het eerst werd gesynthetiseerd, heeft tientallen moderne toepassingen en is essentieel geworden bij het maken van de meststof die nu het grootste deel van onze wereldwijde voedselproductie ondersteunt.

Maar terwijl we al sinds de jaren dertig op grote schaal ammoniak produceren, het is voornamelijk bereikt in kolossale chemische fabrieken die enorme hoeveelheden waterstofgas uit fossiele brandstoffen nodig hebben, waardoor ammoniak een van de meest energie-intensieve chemicaliën is van alle grote hoeveelheden chemicaliën.

Een paar onderzoekers van Case Western Reserve University - een expert in elektrochemische synthese, de andere in toepassingen van plasma's - werken eraan om dat te verhelpen.

Onderzoekers Julie Renner en Mohan Sankaran hebben een nieuwe manier bedacht om ammoniak te maken uit stikstof en water bij lage temperatuur en lage druk. Ze hebben het tot nu toe met succes gedaan in een laboratorium zonder waterstof of de vaste metaalkatalysator te gebruiken die nodig is in traditionele processen.

"Onze aanpak - een elektrolytisch proces met een plasma - is volledig nieuw, " zei Mohan Sankaran, de Goodrich Professor of Engineering Innovation aan de Case School of Engineering.

Plasma's, vaak aangeduid als de vierde toestand van materie (afgezien van vaste, vloeistof of gas), zijn geïoniseerde gaswolken, bestaande uit positieve ionen en vrije elektronen, waardoor het het unieke vermogen heeft om chemische bindingen te activeren, inclusief het nogal uitdagende stikstofmolecuul, op kamertemperatuur.

Renner, een Climo-assistent-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, voegde eraan toe dat omdat dit nieuwe proces geen hoge druk of hoge temperatuur of waterstof nodig heeft, het maakt het schaalbaar - "de ideale soort technologie voor een veel kleinere fabriek, een met een groot potentieel om te worden aangedreven door hernieuwbare energie."

De resultaten van hun tweejarige samenwerking werden deze maand gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Geschiedenisles:Het Haber-Bosch-proces

Vrijwel alle commerciële ammoniak wordt gemaakt van stikstof en waterstof, met behulp van een ijzerkatalysator bij hoge temperatuur en druk.

De Duitse fysisch chemicus Fritz Haber ontving in 1918 de Nobelprijs voor scheikunde voor de ontwikkeling van dit proces, waardoor de productie van ammoniak economisch haalbaar was.

Maar het proces werd economisch winstgevender toen industrieel chemicus Carl Bosch (die in 1931 ook een Nobelprijs won) de methode in een grootschalig systeem bracht. Het proces werd verder gestimuleerd door een tweede innovatie:de ontwikkeling van stoommethaanreforming die waterstof toegankelijker en goedkoper maakte.

Dus, wat bekend werd als het Haber-Bosch-proces, werd de wereldwijde methode voor het fixeren van stikstof en waterstof om ammoniak te maken.

Maar Haber-Bosch was nooit de enige benadering van stikstofbinding, het was gewoon de winnaar van de eeuwwisseling.

een nieuwe, oude methode stijgt

Renner en Sankaran hebben een element tot leven gewekt van een weinig bekende Noorse methode die dateert van vóór Haber-Bosch (het Birkeland-Eyde-proces) dat stikstof en zuurstof liet reageren om nitraten te produceren, een andere chemische stof die in de landbouw kan worden gebruikt. Dat proces verloor Haber-Bosch vooral omdat het nog meer energie vereiste in de vorm van elektriciteit, een beperkte hulpbron in het begin van de 20e eeuw.

"Onze aanpak is vergelijkbaar met de elektrolytische synthese van ammoniak, die belangstelling heeft gekregen als alternatief voor Haber-Bosch omdat het kan worden geïntegreerd met hernieuwbare energie, " zei Sankaran. "Echter, zoals het Birkeland-Eyde-proces, we gebruiken een plasma, wat energie-intensief is. Elektriciteit is nog steeds een barrière, maar nu minder, en met de toename van hernieuwbare energiebronnen, het mag in de toekomst helemaal geen belemmering zijn.

"En misschien wel het belangrijkste, ons proces produceert geen waterstofgas, " zei hij. "Dit is het belangrijkste knelpunt geweest van andere elektrolytische benaderingen om ammoniak uit water (en stikstof) te vormen), de ongewenste vorming van waterstof."

Het Renner-Sankaran-proces maakt ook geen gebruik van een vaste metaalkatalysator, wat een van de redenen zou kunnen zijn dat ammoniak wordt verkregen in plaats van waterstof.

"In ons systeem de ammoniak wordt gevormd op het grensvlak van een gasplasma en een vloeibaar wateroppervlak en vormt zich vrij in oplossing, ' zei Sankaran.

Tot dusver, de door het duo geproduceerde "table-top batches" ammoniak waren erg klein en de energie-efficiëntie is nog steeds minder dan die van Haber-Bosch. Maar met voortdurende optimalisatie, hun ontdekking en ontwikkeling van een nieuw proces zou op een dag kunnen leiden tot kleinere, meer lokale ammoniakcentrales die groene energie gebruiken.