Ammoniak - een kleurloos gas dat essentieel is voor zaken als kunstmest - kan worden gemaakt door een nieuw proces dat veel schoner is, makkelijker en goedkoper dan de huidige toonaangevende methode. UTokyo-onderzoekers gebruiken gemakkelijk beschikbare laboratoriumapparatuur, recyclebare chemicaliën en een minimum aan energie om ammoniak te produceren. Hun Samarium-Water Ammonia Production (SWAP)-proces belooft de ammoniakproductie te verminderen en de toegang tot ammoniakmest voor boeren overal te verbeteren.

in 1900, de wereldbevolking was minder dan 2 miljard, overwegende dat in 2019, het is meer dan 7 miljard. Deze bevolkingsexplosie werd gedeeltelijk gevoed door snelle vooruitgang in de voedselproductie, met name het wijdverbreide gebruik van meststoffen op basis van ammoniak. De bron van deze ammoniak was het Haber-Bosch-proces, en hoewel sommigen zeggen dat het een van de belangrijkste prestaties aller tijden is, het komt met een zware prijs.

Het Haber-Bosch-proces converteert slechts 10 procent van het bronmateriaal per cyclus, dus het moet meerdere keren worden uitgevoerd om het allemaal op te gebruiken. Een van deze grondstoffen is waterstof (H ₂ ) geproduceerd met fossiele brandstoffen. Dit wordt chemisch gecombineerd met stikstof (N ₂ ) bij temperaturen van ongeveer 400-600 graden Celsius en drukken van ongeveer 100-200 atmosfeer, ook tegen hoge energiekosten. Professor Yoshiaki Nishibayashi en zijn team van de afdeling Systeeminnovatie van de Universiteit van Tokyo hopen de situatie te verbeteren met hun SWAP-proces.

"Wereldwijd, het Haber-Bosch-proces verbruikt 3 tot 5 procent van al het geproduceerde aardgas, ongeveer 1 of 2 procent van de totale energievoorziening van de wereld, " legde Nishibayashi uit. "In tegenstelling, vlinderbloemigen hebben symbiotische stikstofbindende bacteriën die ammoniak produceren bij atmosferische temperaturen en drukken. We hebben dit mechanisme geïsoleerd en de functionele component ervan reverse-engineered:nitrogenase."

Over vele jaren, Nishibayashi en zijn team gebruikten in het laboratorium gemaakte katalysatoren om te proberen het gedrag van stikstofase te reproduceren. Anderen hebben het geprobeerd, maar hun katalysatoren produceren slechts tientallen tot enkele honderden ammoniakmoleculen voordat ze verlopen. Nishibayashi's speciale op molybdeen gebaseerde katalysator produceert 4, 350 ammoniakmoleculen in ongeveer vier uur voordat het verloopt.

"Ons SWAP-proces creëert ammoniak met een snelheid van 300-500 keer de snelheid van het Haber-Bosch-proces en met een efficiëntie van 90 procent, " vervolgde Nishibayashi. "Factor in de gigantische energiebesparingen in het proces en de inkoop van grondstoffen en de voordelen zijn echt te zien."

Iedereen met de juiste bronmaterialen kan SWAP uitvoeren in een chemisch laboratorium op tafel, terwijl het Haber-Bosch-proces grootschalige industriële apparatuur vereist. Dit zou toegang kunnen geven tot diegenen die het kapitaal niet hebben om te investeren in zulke grote, dure apparatuur. De grondstoffen zelf zijn een enorme besparing in kosten en energie.

"Een sterke motivatie was om het SWAP-proces op desktopschaal mogelijk te maken. Ik hoop dat dit proces de productie van meststoffen zal democratiseren, "zei Nishibayashi. "Het gaat dus niet alleen om de initiële kosten, maar ook om de voortdurende kosten- en energiebesparingen van grondstoffen. Mijn team biedt dit idee aan om landbouwpraktijken te helpen op de plaatsen die dit het meest nodig hebben."

SWAP neemt stikstof op (N ₂ ) uit de lucht - zoals het Haber-Bosch-proces doet - maar de speciale op molybdeen gebaseerde katalysator combineert dit met protonen (H ⁺ ) van water en elektronen (e ^- ) van samarium (SmI ₂ ). Samarium - ook bekend als Kagan's reagens - wordt momenteel gedolven en wordt opgebruikt in het SWAP-proces. Samarium kan echter worden gerecycled met elektriciteit om de verloren elektronen aan te vullen en onderzoekers willen hiervoor in de toekomst goedkope hernieuwbare bronnen gebruiken.

"Ik was aangenaam verrast toen we ontdekten dat iets zo gewoons als water als protonbron zou kunnen dienen; een molybdeenkatalysator laat dit normaal gesproken niet toe, maar die van ons is speciaal, " concludeerde Nishibayashi. "Het is de eerste kunstmatige stikstof-fixerende reactie die een snelheid bereikt die dicht in de buurt komt van dat we stikstofase in de natuur zien produceren. En net als het natuurlijke proces, het is passief, te, dus beter voor het milieu. Ik hoop dat mijn levenswerk van groot nut kan zijn voor de mensheid."

De studie is gepubliceerd in Natuur .