Forscher der University of Central Florida (UCF) und der Virginia Tech haben eine nachhaltige Methode zur Herstellung von Ammoniak, eine Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff, die für das Leben auf der Erde lebenswichtig ist, einschließlich der Produktion von Nahrung, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren.

Der Fortschritt ist ein wichtiger Schritt in Richtung Nachhaltigkeit für eine Branche, die lange von fossilen Brennstoffen abhängig ist und zu einer grüneren Art der Ernährung der Welt führen könnte.

Das Papier ist in der Zeitschrift veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht .

Ammoniak spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung einer breiten Palette von Produkten, von Textilien bis zu Sprengstoffen.

Ammoniak ist eine der am höchsten produzierten anorganischen Chemikalien der Welt, da es in einer Vielzahl von Branchen von großem Wert ist. Die USA sind einer der weltweit führenden Produzenten und Konsumenten.

Über uns 88 Prozent von Ammoniak in den USA wird für Düngemittel verwendet.

Probleme mit bestehenden Methoden

Für alles, was Ammoniak als Dünger liefert, ist seine Produktion mit großen Umweltkosten verbunden.

Das Haber-Bosch-Prozess, die seit dem Ersten Weltkrieg die häufigste Methode der Ammoniakproduktion ist, erfordert hohe Temperaturen und enormen Druck.

Stickstoff- und Wasserstoffmoleküle müssen auf Temperaturen zwischen 662 ° bis 1022 ° F zwischen 2,200 und 5,100 Pfund pro Quadratzoll Druck.

Infolgedessen verbraucht der Prozess 1-2 Prozent der globalen jährlichen Energiezufuhr, sagte Xiaofeng Feng, eine Assistenzprofessorin für Physik an der UCF, die das Forscherteam leitete.

Während die Erfindung dieses Verfahrens dazu beitrug, den Aufstieg der industriellen Landwirtschaft in großem Maßstab zu beschleunigen, um die ständig wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, ist es für die übermäßigen Treibhausgasemissionen verantwortlich 3 Prozent der weltweiten Kohlenstoffemissionen - und Grundwasserverschmutzung, die sich nachteilig auf die lokalen Ökosysteme und die globale Umwelt auswirkt.

Die hohen Umweltkosten haben viele der jüngsten Bemühungen, die Ammoniakproduktion nachhaltiger zu machen, inspiriert.

Ein Ansatz, den Wissenschaftler erforscht haben, besteht darin, Wege zu finden, die Chemikalie unter milderen Bedingungen herzustellen und elektrische Energie zu nutzen.

„Ein elektrochemischer Ansatz kann dies ermöglichen nachhaltiger Ammoniaksynthese mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind “, sagte Feng.

Unglücklicherweise haben sich elektrochemische Verfahren bis zu diesem Punkt als zu ineffizient erwiesen, um in der Ammoniakproduktion in großem Maßstab verwendet zu werden.

Sie verwendeten typischerweise einen herkömmlichen Mechanismus, der als "protonengekoppelter Elektronentransferprozess" bezeichnet wird und bei dem aktive Elektronen, die durch eine Elektrode geleitet werden, verwendet werden, um die Reaktion anzutreiben, wobei Wasser als Wasserstoffquelle dient.

Durch dieses Verfahren wird Ammoniak produziert, wenn auch ineffizient und mit einer niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit.

Fengs verbesserte Methode

Fengs Team hat jedoch einen Weg gefunden, energieeffizientere elektrochemische Prozesse zu entwickeln.

Bei diesem Verfahren wird Palladiumhydrid als Katalysator verwendet, wodurch die Elektronen viel effizienter genutzt werden können.

Palladium, das für die Wasserstoffentwicklung sehr aktiv ist, eine Reaktion, die mit der Ammoniaksynthesereaktion konkurriert, hatte bisher wenig Aufmerksamkeit als Katalysator für die elektrochemische Ammoniakproduktion erhalten, erklärte Feng.

"Unsere Untersuchungen ergaben, dass Palladiumkatalysatoren aufgrund eines einzigartigen Hydridtransfermechanismus, der durch Palladiumhydrid ermöglicht wird, eine hohe Aktivität und Selektivität bei minimalem Überpotential (oder elektrischer Energie) ermöglichen können", sagte er. "Dieser neue Mechanismus könnte nicht nur einen neuen Weg für eine nachhaltige Ammoniaksynthese bieten, sondern auch Kollegen dazu inspirieren, das Prinzip zu nutzen, um andere Reaktionen für die Umwandlung erneuerbarer Energien zu untersuchen."

Was kommt als nächstes?

In Zukunft wollen die Forscher ihre Methode der Ammoniaksynthese weiterentwickeln und optimieren."Unser nächster Schritt ist das weitere Verständnis und die Verbesserung des katalytischen Prozesses mithilfe fortschrittlicher Techniken wie der Synchrotron-basierten Röntgenspektroskopie und der Gasdiffusionselektrode", so Feng. "Wir werden auch effizientere Katalysatoren mit geringer Palladiumbeladung oder Nichtedelmetallen für die Ammoniaksynthese entwickeln."