Penyelidik dari Universiti Florida Tengah (UCF) dan Virginia Tech telah membangunkan a kaedah mampan untuk menghasilkan ammonia, sebatian nitrogen dan hidrogen, yang penting untuk kehidupan di bumi, termasuk pengeluaran makanan untuk memberi makan kepada penduduk dunia yang semakin meningkat.
Kemajuan ini merupakan langkah penting ke arah keberlanjutan untuk industri yang bergantung kepada bahan bakar fosil, dan boleh membawa kepada cara yang lebih hijau untuk memberi makan kepada dunia.
Kertas itu diterbitkan dalam jurnal Alam Komunikasi.
Ammonia memainkan peranan penting dalam pembuatan pelbagai produk, dari tekstil hingga bahan peledak.
Kerana ia memegang begitu banyak nilai dalam pelbagai industri, ammonia adalah salah satu bahan kimia anorganik yang paling banyak dihasilkan di dunia, dengan AS sebagai salah satu pengeluar dan pengguna terkemuka di dunia.
Info Peratus 88 ammonia di Amerika Syarikat digunakan untuk baja.
Masalah dengan kaedah yang sedia ada
Untuk semua ammonia yang disediakan sebagai baja, pengeluarannya datang dengan kos persekitaran utama.
. Proses Haber-Bosch, yang merupakan kaedah pengeluaran ammonia yang paling biasa sejak Perang Dunia I, memerlukan suhu tinggi dan tekanan yang luar biasa.
Molekul nitrogen dan hidrogen mesti dipanaskan kepada suhu antara 662 ° hingga 1022 ° F di bawah antara 2,200 dan 5,100 pound per inci persegi tekanan.
Akibatnya, proses itu menggunakan 1-2 peratus daripada bekalan tenaga tahunan global, kata Xiaofeng Feng, seorang penolong profesor fizik di UCF yang mengetuai pasukan penyelidikan.
Oleh itu, walaupun penciptaan proses ini membantu merangsang pertumbuhan industri pertanian berskala besar untuk memberi makan kepada penduduk dunia yang terus berkembang, ia bertanggungjawab untuk pengeluaran gas rumah hijau yang prolifik - tentang 3 peratus daripada pelepasan karbon di dunia - dan pencemaran air bawah tanah, keduanya merugikan ekosistem lokal dan persekitaran global.
Kos persekitaran yang berat telah memberi inspirasi kepada banyak usaha terkini untuk menjadikan pengeluaran ammonia lebih mampan.
Satu pendekatan yang telah diterokai para saintis ialah mencari cara untuk menghasilkan bahan kimia di bawah keadaan yang lebih ringan dan menggunakan tenaga elektrik.
"Pendekatan elektrokimia boleh diaktifkan mampan sintesis ammonia menggunakan elektrik dari sumber tenaga boleh diperbaharui seperti solar dan angin, "kata Feng.
Malangnya, kaedah elektrokimia telah terbukti pada tahap ini tidak terlalu berkesan untuk digunakan dalam pengeluaran ammonia berskala besar.
Mereka biasanya menggunakan mekanisme konvensional, yang dipanggil "proses pemindahan elektron yang dipadankan proton," di mana elektron aktif melalui elektrod digunakan untuk memacu tindak balas, dengan air yang berfungsi sebagai sumber hidrogen.
Melalui kaedah ini, ammonia dihasilkan, walaupun tidak cekap dan pada kadar tindak balas yang rendah.
Kaedah peningkatan Feng
Pasukan Feng, bagaimanapun, telah menemui satu cara untuk membangunkan lebih banyak proses elektrokimia cekap tenaga.
Kaedah ini menggunakan hydride palladium sebagai pemangkin, yang membolehkan elektron digunakan lebih cekap.
Palladium, yang sangat aktif untuk tindak balas evolusi hidrogen, reaksi yang bersaing dengan tindak balas sintesis ammonia, sebelum ini mendapat sedikit perhatian sebagai pemangkin pengeluaran pengeluaran ammonia elektrokimia, kata Feng.
"Penyelidikan kami mendapati bahawa pemangkin paladium boleh membolehkan aktiviti yang tinggi dan selektiviti dengan kelebihan tenaga (atau tenaga elektrik) yang minimum, kerana mekanisme pemindahan hidrida yang unik didayakan oleh hidrida palladium," katanya. "Mekanisme baru ini bukan saja dapat memberikan laluan baru untuk sintesis ammonia yang mampan, tetapi juga mengilhami penyelidik sebaya untuk menggunakan prinsip untuk menangani reaksi lain untuk penukaran energi terbarukan."
Apa yang akan datang?
Melangkah ke hadapan, para penyelidik berhasrat untuk terus membangun dan mengoptimumkan kaedah sintesis ammonia mereka."Langkah seterusnya adalah untuk lebih memahami dan memperbaiki proses pemangkin menggunakan teknik canggih seperti spektroskopi sinar-X berasaskan synchrotron dan elektrod penyebaran gas," kata Feng. "Kami juga akan membangunkan pemangkin lebih berkesan dengan pemuatan palladium rendah atau logam bukan berharga untuk sintesis ammonia."
