Wetenschappers van Stanford University en het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy veranderen lucht in kunstmest zonder een ecologische voetafdruk achter te laten. Hun ontdekking zou een broodnodige oplossing kunnen opleveren om de wereldwijde CO2-neutrale doelstellingen tegen 2050 te helpen verwezenlijken.

Gepubliceerd in het tijdschrift Energy &Environmental Science beschrijft de studie een duurzaam elektrochemisch (in plaats van chemisch) proces voor de productie van ammoniak, een belangrijk ingrediënt voor stikstofkunstmest.

In wezen gebruikten de onderzoekers neutronenverstrooiing om te begrijpen hoe het ronddraaien van een elektrische stroom tijdens de omzetting van stikstof in ammoniak, ook bekend als de stikstofreductiereactie, de hoeveelheid geproduceerde ammoniak verhoogt. Dit proces heeft het potentieel om boeren in staat te stellen stikstof, het meest voorkomende element in onze atmosfeer, om te zetten in meststoffen op basis van ammoniak, zonder kooldioxide uit te stoten.

"Ammoniak is van cruciaal belang voor de voedselvoorziening van het grootste deel van de wereldbevolking", zegt Sarah Blair, een voormalige doctoraalstudent aan Stanford's Center for Interface Science and Catalysis, die nu als postdoctoraal onderzoeker werkt bij het National Renewable Energy Laboratory in Colorado. "Nu de wereldbevolking blijft groeien, hebben we duurzame manieren nodig om kunstmest te produceren, vooral nu de opwarming steeds intensiever wordt."

Dankzij industriële meststoffen kunnen boeren meer voedsel verbouwen op minder land. Toch is de belangrijkste methode om industriële ammoniak te maken al meer dan een eeuw lang, het Haber-Bosch-proces, verantwoordelijk voor bijna 2% van alle kooldioxide-uitstoot vanwege de fossiele brandstoffen die daarvoor nodig zijn.

Twee procent klinkt misschien niet veel, maar we voegen sneller kooldioxide aan de atmosfeer toe dan de planeet het kan absorberen, waardoor elke inspanning meetelt om dat aantal terug te dringen. Het Haber-Bosch-proces produceert elk jaar ongeveer 500 miljoen ton kooldioxide, waarvoor het equivalent van bijna al het federale land in de VS nodig is om te absorberen en op te slaan.

Inzichten uit het onderzoek kunnen wetenschappers ook helpen andere processen te begrijpen voor het maken van koolstofneutrale ammoniak voor andere toepassingen. Hierbij valt te denken aan het recyclen of heroveren van de afvoer van kunstmest voordat deze in de waterstromen terechtkomt en het produceren van ammoniak in zeehavens voor het tanken van schepen. De mondiale scheepvaart produceert nog eens 3% van de kooldioxide-uitstoot in de wereld, en de verbranding van fossiele brandstoffen is verantwoordelijk voor de grootste bron van kooldioxide door menselijke activiteiten.

‘Je kunt het ontwerp van iets niet verbeteren als je niet weet hoe het al werkt’, zei Blair. "Neutronen helpen de wetenschap evolueren door op atomair niveau licht te werpen op bepaalde systemen die anders onmogelijk te bestuderen zijn."

Blair en Mat Doucet, een senior neutronenverstrooiingswetenschapper bij ORNL, voerden hun neutronenexperimenten uit op het Liquids Reflectometer-instrument bij de Spallation Neutron Source. Hun doel was om het effect te begrijpen van het laten ronddraaien van een elektrische stroom op de vorming van het vaste-elektrolyt-grensvlak, of SEI, in een stikstofreductiereactiesysteem dat ammoniak produceert met behulp van lithium als bemiddelaar.

Het begrijpen van de vorming van SEI is niet alleen de sleutel om de wetenschap achter de elektrochemische productie van ammoniak te ontsluiten, maar ook om betere batterijen te produceren. De studie markeert ook het eerste gebruik van op neutronen gebaseerde technieken om de vorming van een SEI-laag tijdens deze specifieke elektrochemische conversie waar te nemen.

Bovendien kwam uit het onderzoek een unieke nieuwe neutronentechniek naar voren, tijdsopgeloste reflectometrie. Met deze techniek kunnen wetenschappers neutronengegevens opsplitsen in stappen van een paar seconden, waardoor meer details worden vastgelegd, net zoals het frame voor frame naar een film kijken. Aanvankelijk dachten Blair en Doucet dat de elektrochemische veranderingen die zij waarnamen geleidelijk plaatsvonden. Dankzij de nieuwe techniek ontdekten ze echter dat veranderingen in veel kleinere tijdsintervallen plaatsvonden.

"Processen die lineair lijken, zijn dat misschien helemaal niet als je ze van dichterbij bekijkt", zegt Doucet. "Het vinden van die structuur als functie van de tijd is het moeilijkste deel. Dankzij de techniek die we voor dit experiment hebben ontwikkeld, konden we precies dat doen."

Ontdekkingen bij SNS leggen de basis van kennis voor technologische innovaties die het dagelijks leven van mensen verbeteren. De techniek die Blair en Doucet ontwikkelden opent nieuwe mogelijkheden in de elektrochemie voor SNS-gebruikers.

Hanyu Wang, ORNL-instrumentwetenschapper die ook nauw samenwerkt met SNS-gebruikers, zei:"Deze tijdsafhankelijke experimenten zullen wetenschappers aantrekken die scheidingschemie bestuderen."

Jim Browning, groepsleider van ORNL Neutron Reflectometry, voegde hieraan toe:"Hun aanpak kan veel vragen beantwoorden op het gebied van scheidingschemie, batterijen en een heel scala aan verschillende interessegebieden, zoals energieproductie, energieopslag en energiebehoud."

Meer informatie: Sarah J. Blair et al., Gecombineerde, tijdsopgeloste, in situ neutronenreflectometrie en röntgendiffractieanalyse van dynamische SEI-vorming tijdens elektrochemische N₂ reductie, Energie- en milieuwetenschappen (2023). DOI:10.1039/D2EE03694K

Journaalinformatie: Energie- en milieuwetenschappen

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory