Wetenschap
Onderzoek introduceert een schonere manier om ammoniak te produceren bij kamertemperatuur en druk
Ammoniak is het uitgangspunt voor de meststoffen die de voedselvoorziening in de wereld de afgelopen eeuw veilig hebben gesteld. Het is ook een hoofdbestanddeel van schoonmaakproducten en wordt zelfs beschouwd als een toekomstige koolstofvrije vervanging van fossiele brandstoffen in voertuigen.
Maar het synthetiseren van ammoniak uit moleculaire stikstof is een energie-intensief industrieel proces, vanwege de hoge temperaturen en drukken waarbij de standaardreactie verloopt. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy hebben nu een nieuwe manier om ammoniak te produceren die werkt bij kamertemperatuur en druk.
Sinds 1909 omvat de industriebrede standaard voor de synthese van ammoniak de omzetting van moleculaire stikstof (distikstof, N2 ) via een reactie met waterstofgas met behulp van op metaal gebaseerde katalysatoren, bekend als het Haber-Bosch-proces. Polly Arnold, een senior stafwetenschapper en directeur van de afdeling Chemische Wetenschappen van Berkeley Lab, heeft ontdekt dat katalysatoren gemaakt van overvloedige zogenaamde zeldzame aardmetalen deze reactie bij kamertemperatuur kunnen vergemakkelijken.
"Niemand had verwacht dat zeldzame aardmetalen deze reactie zouden veroorzaken. Ze hebben ons arsenaal aan potentiële katalysatoren voor omgevingscondities uitgebreid", zegt Arnold, die ook hoogleraar scheikunde is aan UC Berkeley.
Zeldzame aardmetalen zijn de zilverwitte, zachte, zware elementen waaruit alle niet-radioactieve metalen bestaan uit de groep onderaan het periodiek systeem, en die veel belangstelling hebben gewekt voor toepassingen in elektronica, lasers en magnetische materialen .
"Ondanks hun naam zijn zeldzame aardmetalen niet echt zeldzaam", zegt Anthony Wong, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Arnold aan UC Berkeley en aangesloten bij de afdeling Chemical Sciences van Berkeley Lab en hoofdauteur van het artikel in Chem Catalysis ik> dat beschrijft het werk. "Sommige zijn bijna net zo gewoon als koper, en hun zouten zijn minder giftig dan metalen die al bij de katalyse worden gebruikt", voegde hij eraan toe.
Het opwindende aan zeldzame aardmetalen, vanuit een fundamenteel perspectief, is dat ze een reeks extra elektronen hebben die hun tegenhangers van overgangsmetalen niet hebben. Dit geeft ze interessante optomagnetische eigenschappen – maar scheikundigen begrijpen niet volledig of en hoe de elektronen in reacties kunnen worden gebruikt. Het onderzoeken van reacties waarbij zeldzame aardmetalen betrokken zijn, is een aantrekkelijk hulpmiddel om hun elektronische structuren te begrijpen en hoe hun structuren kunnen worden toegepast op nieuwe reactiviteit.
Sinds de jaren negentig is bekend dat zeldzame aardmetalen moleculaire stikstof binden. Tot nu toe zijn onderzoekers er echter niet in geslaagd deze te gebruiken om op katalytische wijze stikstof-gefunctionaliseerde chemicaliën zoals ammoniak of aminen te maken uit N2 .
Wong, Arnold en hun collega's ontwierpen verbindingen die twee zeldzame aardmetalen met eenvoudige verbindingen verenigden, gemaakt van fenolaten op basis van een eenvoudige antioxidant die veel in voedsel wordt gebruikt. De resulterende structuur vormde een rechthoekige holte.
Moleculaire stikstof die in de holte diffundeerde, vormde bindingen met de metalen aan beide uiteinden, waardoor het gas werd geactiveerd. Vervolgens vielen elektronen die vanuit een kaliumbron in de holte werden gebracht, de geactiveerde stikstof aan, waardoor de bindingen werden verbroken. In al zijn standaardvormen vormt omgezet stikstof drie covalente bindingen met waterstofatomen of andere reactanten, wat resulteert in symmetrische ammoniak of aminen.
"Onze katalysatoren activeren de distikstof en houden deze vast, terwijl verschillende reagentia binnenkomen en reageren om verschillende producten te vormen", zegt Arnold. Ze is van plan om vervolgens elektroden te gebruiken in plaats van het kaliumreagens als bron van elektronen, omdat deze hernieuwbaar kunnen zijn als ze bijvoorbeeld afkomstig zijn van zonnecellen.
De wetenschappers zullen vervolgens onderzoeken hoe ze zeldzame aardmetalen kunnen gebruiken om extra stikstofhoudende producten te synthetiseren door de vorm en grootte van de brievenbusvormige holte aan te passen. "Onze volgende stap is het onderzoeken en begrijpen welke eigenschappen van zeldzame aardmetalen van invloed zijn op de chemie", zegt Wong.
Het nieuwe proces zal het wijdverbreide industriële Haber-Bosch-proces niet vervangen. De mondiale ammoniakproductie schommelt sinds 2020 jaarlijks rond de 200 miljoen ton, en de bestaande instrumenten zijn op grote schaal geoptimaliseerd en uiterst efficiënt. Maar het proces verbruikt ongeveer 2% van het energieverbruik in de wereld en creëert geografische ongelijkheden in de beschikbaarheid van ammoniak.
"Dat is geen voedselrechtvaardigheid", zei Arnold. Wong voegde eraan toe:"We hebben betere manieren nodig om ammoniak te produceren die minder energie-intensief zijn en kunnen worden uitgevoerd bij omgevingstemperaturen en -druk om te helpen bij de voedsel- en energiezekerheid." Hun gepatenteerde technologie zou meststoffen en chemisch specifieke stikstofproducten naar regio's zonder pijpleiding kunnen brengen, en tegen veel lagere kosten.
Een deel van dit onderzoek werd uitgevoerd bij de Advanced Light Source, een Department of Energy Office of Science User Facility in Berkeley Lab.