Ingenieurs van Georgia Tech werken eraan om kunstmest duurzamer te maken – van de productie tot het productieve hergebruik van de afvoer na toepassing – en een paar nieuwe onderzoeken bieden veelbelovende mogelijkheden aan beide kanten van het proces.

In één artikel hebben onderzoekers ontrafeld hoe stikstof, water, koolstof en licht kunnen interageren met een katalysator om ammoniak te produceren bij omgevingstemperatuur en -druk, een veel minder energie-intensieve aanpak dan de huidige praktijk. Het tweede artikel beschrijft een stabiele katalysator die in staat is afvalmeststof weer om te zetten in niet-vervuilende stikstof die op een dag zou kunnen worden gebruikt om nieuwe kunstmest te maken.

Er wordt nog veel werk verricht aan beide processen, maar senior auteur van de artikelen, Marta Hatzell, zei dat ze een stap zijn in de richting van een duurzamere cyclus die nog steeds voldoet aan de behoeften van een groeiende wereldbevolking.

"We denken vaak dat het fijn zou zijn om geen synthetische meststoffen te hoeven gebruiken voor de landbouw, maar dat is op de korte termijn niet realistisch als je bedenkt hoeveel plantengroei afhankelijk is van synthetische meststoffen en hoeveel voedsel de wereldbevolking nodig heeft", zegt Hatzell, medewerker hoogleraar aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "Het idee is dat je op een dag misschien ter plekke kunstmest kunt produceren, opvangen en recyclen."

Ammoniak produceren bij lagere temperatuur en druk

Stikstofrijke ammoniak is een essentiële meststof in de mondiale voedselproductie. Om dit te realiseren is echter een aanzienlijke hoeveelheid op aardolie gebaseerde energie nodig, en dit kan alleen worden gedaan in een honderdtal grootschalige faciliteiten wereldwijd.

Hatzell en haar Georgia Tech-collega's hebben de belangrijke rol blootgelegd van moleculen die koolstofradicalen worden genoemd voor een energiezuinige aanpak waarbij een licht-reactieve katalysator wordt gebruikt om stikstof en waterstof tot ammoniak samen te smelten. Ze rapporteerden hun bevindingen in het Journal of the American Chemical Society Au (JACS Au ).

Fotochemische reacties zijn veelbelovend omdat ze zonne-energie kunnen gebruiken in plaats van fossiele brandstoffen en een meer gedecentraliseerde benadering van de productie van ammoniak kunnen bieden. Normaal gesproken vereist de noodzakelijke reactie temperaturen rond de 400° Celsius en 100 keer de normale atmosferische druk. Het creëren van een proces bij omgevingsdruk en -temperatuur (rond de 25° C) zou aanzienlijk eenvoudiger zijn.

Het team, bestaande uit onderzoekers van de School of Chemical and Biomolecular Engineering en de School of Civil and Environmental Engineering, gebruikte spectroscopie-instrumenten om aan te tonen dat licht interageert met de fotokatalysator om hoogenergetische koolstofmoleculen te produceren die koolstofradicalen worden genoemd.

"We ontdekten verrassend genoeg dat de stikstof niet direct reageert bij lage temperaturen. Je hebt echt de aanwezigheid van koolstofradicaal nodig om het stikstoffixatieproces te ondersteunen," zei Hatzell.

"Het was heel belangrijk voor ons om te proberen dat reactiepad te identificeren, want zonder een duidelijk begrip van hoe stikstof en water resulteren in de vorming van ammoniak, kunnen we echt geen systemen ontwikkelen en nieuwe materialen ontwerpen", vervolgde ze. P>

"Door dit reactiepad in kaart te brengen en alle mogelijke katalytische processen die kunnen plaatsvinden te begrijpen, kunnen we nu beter reactoren ontwerpen en materialen ontwerpen om het proces te versnellen."

Het team gebruikte titaniumdioxide als fotokatalysator in deze experimenten omdat het goed bestudeerd en breed bruikbaar is, maar Hatzell zei dat andere materialen effectiever zouden kunnen blijken in het aanwakkeren van de vorming van ammoniak in een fotochemische reactie. Dit nieuwe inzicht kan wetenschappers helpen het proces te optimaliseren.

Meststofafval recyclen

Het tweede onderzoek uit het laboratorium van Hatzell, gepubliceerd in ACS Energy Letters – werkt aan de andere kant van de levenscyclus van kunstmest. Er gaan aanzienlijke hoeveelheden stikstof verloren wanneer kunstmest op gewassen wordt toegepast; misschien wel 80% wordt niet door planten gemetaboliseerd. Dit nitraatafval vervuilt vaak het grondwater.

Hatzell werkte samen met andere mechanische ingenieurs en onderzoekers van Georgia Tech in twee nationale laboratoria om een ​​palladium-koperlegering te creëren die deze nitraten terugbrengt tot stikstof, dat onschadelijk in de lucht kan vrijkomen of, op een dag, kan worden gebruikt om processen zoals de fotochemische reactie te voeden. in de JACS Au onderzoek naar nieuwe ammoniakmeststof.

"Onze katalysator is niet alleen goed, maar hij is ook gedurende een zeer lange periode stabiel", aldus Hatzell. "Veel onderzoekers hebben katalysatoren bedacht die een goede conversie krijgen, maar de katalysatoren zijn niet stabiel. We hebben een hooggeordend legeringsmateriaal gemaakt dat effectief, efficiënt en ook stabiel is, wat betekent dat het zou kunnen werken met deze afvalstromen."

Beide onderzoeken zijn het resultaat van een concentratie van expertise binnen het College of Engineering die zich inzet om vooruitgang te boeken op dit gebied. Daartoe behoren bijdragen van onderzoekers als A.J. Medford, Seung Woo Lee en Carsten Sievers.

Ze maken ook deel uit van een bredere inspanning, Hatzell en anderen bij Tech helpen leiding te geven, die eraan werken om de stikstofvervuiling terug te dringen en in plaats daarvan een circulaire stikstofeconomie te creëren door het opvangen, recyclen en produceren van koolstofvrije meststoffen op stikstofbasis.

"Met dat 10-jarige centrum werken we aan de ontwikkeling van al deze individuele processen en technologieën", zei Hatzell. "Dan zullen we uitzoeken hoe we ze kunnen samenstellen en ze kunnen testen op afvalwaterzuiveringsinstallaties en landbouwlocaties."

Meer informatie: Po-Wei Huang et al, Vorming van koolstofgeïnduceerde stikstofgecentreerde radicalen op titaniumdioxide onder verlichting, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556

Jeonghoon Lim et al, Atomisch geordende PdCu-elektrokatalysatoren voor selectieve en stabiele elektrochemische nitraatreductie, ACS Energy Letters (2023). DOI:10.1021/acsenergylett.3c01672

Journaalinformatie: ACS Energiebrieven

Aangeboden door Georgia Institute of Technology