Ammoniak (NH ₃ ) is een van de meest geproduceerde chemicaliën, met een wereldwijde productie van 170 megaton per jaar. Het is het belangrijkste ingrediënt bij de productie van meststoffen, en speelt dus een cruciale rol bij het in stand houden van de wereldbevolking. Echter, meer dan 1 procent van de wereldwijde energie wordt verbruikt door de productie van ammoniak, waarbij de reactie van distikstof (N ₂ ) uit lucht en diwaterstof (H ₂ ), via het Haber-Bosch-proces.

Hoewel de industrie enkele doorbraken heeft gezien op het gebied van efficiëntie, de waterstofatomen in ammoniak zijn afgeleid van de fossiele brandstof methaan (CH ₄ ), en koolstofdioxide (CO ₂ ) wordt geproduceerd als bijproduct. Met andere woorden, het Haber Bosch-proces is onhoudbaar. Bovendien, het vereist hoge temperaturen en drukken, wat betekent dat het alleen kan worden geproduceerd in grote gecentraliseerde reactoren, ver van het punt van consumptie. Bijgevolg, de logistieke en veiligheidsuitdagingen van het vervoer van ammoniak, die zowel giftig als corrosief is, voorkomen dat veel potentiële gebruikers het kunnen gebruiken, vooral in ontwikkelingslanden.

Voor vele jaren, wetenschappers hebben daarom hard gewerkt om een ​​alternatief te vinden, elektrochemische methode voor het synthetiseren van ammoniak, die kan worden aangedreven door hernieuwbare energie en op lokale basis kan worden geproduceerd, op het punt van gebruik. Er zijn grote uitdagingen die moeten worden opgelost, zowel wetenschappelijk als technisch, voordat het proces schaalbaar en winstgevend kan worden.

Experimentele studies hebben - tot nu toe - de efficiëntie van het dominante Haber-Bosch-proces niet kunnen evenaren. Bovendien, veel van deze onderzoeken sluiten verontreiniging door de ammoniak of andere stikstofhoudende verbindingen die al in de lucht aanwezig zijn niet uit, menselijke adem, ionengeleidende membranen of zelfs de katalysator zelf.

Een nieuwe studie in Natuur door een internationaal team van wetenschappers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), Stanford University en Imperial College London belichten deze kwestie.

"Synthese van ammoniak door middel van elektrochemische processen krijgt enorme belangstelling, niet alleen van academische onderzoekers, maar ook van het bedrijfsleven en de overheid. Deze interesse wordt gedreven door de noodzaak om de productie van ammoniak minder afhankelijk te maken van fossiele brandstoffen. Echter, veel academische groepen slagen er niet in om te bewijzen dat de ammoniak inderdaad is afgeleid van de N ₂ molecuul. Dit komt gedeeltelijk door de zeer kleine hoeveelheden ammoniak die worden geproduceerd, waardoor zelfs kleine verontreinigingen een vals positief resultaat opleveren. ", zegt universitair hoofddocent Jakob Kibsgaard van DTU.

Het protocol van de wetenschappers gebruikt stikstof-15 (15N ₂ ), een isotoop waarmee ze de elektroreductie van N . kunnen detecteren en kwantificeren ₂ aan ammoniak. Door deze methode, ze zijn in staat om de effecten van onechte besmetting te scheiden van echte N ₂ vermindering.

"Als elektrochemische processen efficiënter worden, isotopenlabeling wordt minder een probleem, omdat we grotere hoeveelheden ammoniak gaan produceren. Toch, er komen momenteel onderzoeken uit die zelfs niet voldoen aan de meest elementaire protocollen om ervoor te zorgen dat de resultaten geldig zijn, ", zegt hoofddocent Ifan E.L. Stephens aan het Imperial College London.

Met behulp van hun protocol, de wetenschappers hebben bewezen dat een methode die in 1993 werd gerapporteerd door een ander team van wetenschappers (van het Tokyo Institute of Technology), levert ondubbelzinnig ammoniak afgeleid van N ₂ . Hoewel veel studies opnieuw moeten worden geëvalueerd, het huidige resultaat is aanzienlijk, omdat het aantoont dat de elektrochemische productie van ammoniak inderdaad haalbaar is.

"We hopen dat dit artikel de onderzoeksgemeenschap eraan zal herinneren om de juiste controle-experimenten en -protocollen te gebruiken om hun onderzoek correct te evalueren. We maken allemaal deel uit van een opkomend veld dat een zeer positieve impact zou kunnen hebben op de ammoniakproductie en de wereldwijde CO ₂ uitstoot. Bijgevolg, we moeten er zeker van zijn dat we onze tijd in het lab goed gebruiken - en dit onderzoek kan ons daarbij helpen", zegt professor Ib Chorkendorff van DTU.