Ammoniak wordt vaak gebruikt in kunstmest omdat het het hoogste stikstofgehalte heeft van commerciële meststoffen, waardoor het essentieel is voor de productie van gewassen. Er worden echter twee koolstofdioxidemoleculen gemaakt voor elk geproduceerd molecuul ammoniak, wat bijdraagt ​​​​aan overtollig koolstofdioxide in de atmosfeer.

Een team van het Artie McFerrin Department of Chemical Engineering aan de Texas A&M University, bestaande uit Dr. Abdoulaye Djire, assistent-professor en afgestudeerde student Denis Johnson, heeft een methode ontwikkeld om ammoniak te produceren door middel van elektrochemische processen, waardoor de koolstofemissies worden verminderd. Dit onderzoek heeft tot doel het thermochemische proces van Haber-Bosch te vervangen door een elektrochemisch proces dat duurzamer en veiliger is voor het milieu.

De onderzoekers publiceerden onlangs hun bevindingen in Scientific Reports .

Sinds het begin van de twintigste eeuw wordt het Haber-Bosch-proces gebruikt om ammoniak te produceren. Dit proces werkt door atmosferische stikstof te laten reageren met waterstofgas. Een nadeel van het Haber-Bosch-proces is dat het hoge druk en hoge temperatuur vereist, wat een grote energievoetafdruk achterlaat. De methode vereist ook waterstof als grondstof, die is afgeleid van niet-hernieuwbare bronnen. Het is niet duurzaam en heeft negatieve gevolgen voor het milieu, waardoor de behoefte aan nieuwe en milieuvriendelijke processen wordt versneld.

De onderzoekers hebben voorgesteld om de elektrochemische stikstofreductiereactie (NRR) te gebruiken om ammoniak te produceren uit atmosferische stikstof en water. De voordelen van het gebruik van een elektrochemische methode zijn onder meer het gebruik van water om protonen te leveren en het vermogen om ammoniak te produceren bij omgevingstemperatuur en -druk. Dit proces zou mogelijk minder energie vergen en zou minder duur en milieuvriendelijker zijn dan het Haber-Bosch-proces.

De NRR werkt met behulp van een elektrokatalysator. Om dit proces te laten slagen, moet stikstof zich aan het oppervlak hechten en uiteenvallen om ammoniak te produceren. In deze studie gebruikten de onderzoekers MXene, een titaniumnitride, als elektrokatalysator. Wat deze katalysator van andere onderscheidt, is dat stikstof al in zijn structuur zit, wat een efficiëntere ammoniakformulering mogelijk maakt.

"Het is gemakkelijker voor ammoniak om zich te vormen omdat de protonen zich kunnen hechten aan de stikstof in de structuur, de ammoniak vormen en dan zal de ammoniak uit de structuur verdwijnen", zei Johnson. "Er wordt een gat gemaakt in de structuur dat het stikstofgas naar binnen kan trekken en de drievoudige binding kan scheiden."

De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van titaniumnitride een Mars-van Krevelen-mechanisme induceert, een populair mechanisme voor de oxidatie van koolwaterstoffen. Dit mechanisme volgt een lagere energieroute die hogere ammoniakproductiesnelheden en selectiviteit mogelijk zou maken vanwege de stikstof uit de titaniumnitridekatalysator.

Zonder aanpassingen aan de materialen bereikten de onderzoekers een selectiviteit van 20%, wat de verhouding is van het gevormde gewenste product ten opzichte van het gevormde ongewenste product. Hun methode zou mogelijk een hoger selectiviteitspercentage kunnen bereiken met aanpassingen, waardoor een nieuwe weg naar ammoniakproductie wordt gesmeed door middel van elektrochemische processen.

"Het ministerie van Energie heeft een selectiviteit van 60% als doel gesteld, wat een uitdagend aantal is om te bereiken", aldus Johnson. "We waren in staat om 20% te bereiken met behulp van ons materiaal, wat een methode demonstreert waarvan we zouden kunnen profiteren om vooruit te komen. Als we ons materiaal upgraden, kunnen we dan snel 60% bereiken? Dat is de vraag waar we aan zullen blijven werken antwoord."

Dit onderzoek zou de CO2-voetafdruk en het wereldwijde energieverbruik op grotere schaal kunnen verminderen.

"In de toekomst zou dit een grote wetenschappelijke hervorming kunnen zijn", zei Djire. "Ongeveer 2% van 's werelds totale energie wordt gebruikt voor de productie van ammoniak. Het verminderen van dat enorme aantal zou onze ecologische voetafdruk en energieverbruik drastisch verminderen."

Andere bijdragen aan de publicatie zijn Eric Kelley van de afdeling chemische technologie van Texas A&M, Brock Hunter van Auburn University en Jevaun Christie en Cullan King van Prairie View A&M University. + Verder verkennen

De nieuwe alchemie in koolstofneutraliteit:water omzetten in ammoniak met alleen hernieuwbare energie