Onderzoekers van de Rice University hebben een anorganische methode ontwikkeld om ammoniak te synthetiseren die zowel milieuvriendelijk is als de waardevolle chemische stof op aanvraag kan produceren onder omgevingsomstandigheden.

Het Brown School of Engineering-lab van materiaalwetenschapper Jun Lou manipuleerde een tweedimensionaal kristal dat het goed begrijpt - molybdeendisulfide - en veranderde het in een katalysator door zwavelatomen uit de roosterachtige structuur te verwijderen en het blootgestelde molybdeen te vervangen door kobalt.

Hierdoor kon het materiaal het natuurlijke organische proces nabootsen dat bacteriën gebruiken om atmosferisch distikstof in organismen om te zetten in ammoniak. ook bij mensen, die ammoniak gebruiken om de leverfunctie te helpen.

Dankzij het anorganische proces kan ammoniak overal worden geproduceerd waar het nodig is als kleinschalige toevoeging aan de industrie, die jaarlijks miljoenen tonnen van de chemische stof produceert via het anorganische Haber-Bosch-proces.

Het onderzoek staat beschreven in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Het Haber-Bosch-proces produceert veel koolstofdioxide en verbruikt veel energie, "Zei co-hoofdauteur en Rice afgestudeerde student Xiaoyin Tian. "Maar ons proces gebruikt elektriciteit om de katalysator te activeren. Dat kunnen we uit zon of wind halen."

De onderzoekers wisten al dat molybdeendisulfide een affiniteit had om zich te binden met distikstof, een natuurlijk voorkomend molecuul van twee sterk gebonden stikstofatomen dat ongeveer 78% van de atmosfeer van de aarde vormt.

Computationele simulaties door Mingjie Liu, een onderzoeksmedewerker bij Brookhaven National Laboratory, toonde aan dat het vervangen van enkele blootgestelde molybdeenatomen door kobalt het vermogen van de verbinding zou verbeteren om de reductie van distikstof tot ammoniak te vergemakkelijken.

Laboratoriumtests bij Rice toonden aan dat dit zo was. De onderzoekers verzamelden monsters van het materiaal op nanoschaal door defecte molybdeendisulfidekristallen op koolstofdoek te laten groeien en kobalt toe te voegen. (De kristallen zijn technisch 2-D maar verschijnen als een vlak van molybdeenatomen met lagen zwavel boven en onder.) Met stroom toegepast, de verbinding leverde meer dan 10 gram ammoniak per uur op met 1 kilogram katalysator.

"De schaal is niet vergelijkbaar met goed ontwikkelde industriële processen, maar het kan in specifieke gevallen een alternatief zijn, " zei co-hoofdauteur Jing Zhang, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice. "Het zal de productie van ammoniak mogelijk maken waar geen industriële fabriek is, en zelfs in ruimtetoepassingen." Hij zei dat laboratoriumexperimenten speciale voedingen van distikstof gebruikten, maar het platform kan het net zo gemakkelijk uit de lucht trekken.

Lou zei dat andere doteermiddelen ervoor kunnen zorgen dat het materiaal andere chemicaliën katalyseert, een onderwerp voor toekomstige studies. "We dachten dat er hier een kans was om iets te nemen waar we heel bekend mee zijn en te proberen te doen wat de natuur al miljarden jaren doet, " zei hij. "Als we een reactor op de juiste manier ontwerpen, het platform kan zijn functie ononderbroken uitoefenen."