İnsanlığın amonyak için doyumsuz bir iştahı vardır: Bu madde gübre yapmak için kullanılır, bu da çoğu modern tarımda kullanılır. Şimdiye kadar, Haber-Bosch süreci, görünüşte tükenmez bir atmosferden azot çıkarmak ve amonyak şeklinde bağlamak için tercih edilen bir yöntem olmuştur. Bununla birlikte, bu yöntem son derece büyük miktarda metan gazı ve enerjisi gerektirir.
Bonn Üniversitesi’nden Prof. Nikolay Kornienko, yenilenebilir enerji kaynaklarından amonyak üretmek için daha iklim dostu bir alternatif keşfetti. Bulgular şurada yayınlandı Doğa İletişimi.
Eden bahçesinde olduğu gibi, tahıl, pancar ve patatesler mümkün olduğunca bereketli bir şekilde filizlenmelidir, böylece plakalar iyi doldurulur. Bu, özellikle azot ile düzenli döllenme ile sağlanır. Asla kuru olmayan bir besin kaynağı. 20. yüzyılın başında, Fritz Haber ve Carl Bosch, görünüşte tükenmez havadan azot çıkaran bir süreç geliştirdiler. Bu başarı onlara 1918’de Nobel Kimya Ödülü’nü kazandı.
Demir bazlı bir katalizör, çok yüksek basınç ve 500 santigrat dereceye kadar sıcaklıklar kullanan Haber-Bosch işlemi, azotu havadan hidrojene bağlayarak amonyak üretir. Bir kenara, bazı bitkiler aynı zamanda köklerinde küçük bakterilerle bağlayıcı atmosferik azot sanatında ustalaşır ve büyümeleri için kullanılabilir hale getirir. Bununla birlikte, yeşil bitkiler bunu iklim nötr bir şekilde yaparken, insanlar henüz bunu başaramamıştır.
Bonn Üniversitesi İnorganik Kimya Enstitüsü’nden Prof. Dr. Nikolay Kornienko, “Haber-Bosch süreci son derece enerji yoğun” diyor. Amonyak üretimi ağırlıklı olarak fosil yakıtlara dayanmaktadır, bu da sera gazı emisyonlarının buna bağlı olarak yüksek olduğu anlamına gelir.
Bonn Üniversitesi’nde disiplinlerarası araştırma alanı “maddesi” nin bir üyesi olan Kornienko, “Sürdürülebilir ve iklim nötr bir toplumun amacına ulaşmak için alternatif amonyak sentez süreçleri arayışı bir önceliktir” diyor.
Güneş ve rüzgardan azot gübresi
Alternatif yöntemler? Bunlar bir süredir denenmiştir. Amaç, Haber-Bosch amonyak sentezini, güneş ve rüzgar gibi kaynaklardan yenilenebilir enerji kullanan bir işlemle değiştirmektir. Gerekli hidrojen artık metan gazından gelmeyecek, ancak doğrudan suyun elektrik bölünmesinden (H2O) hidrojene (h2) ve oksijen (O2).
Kulağa basit geliyor mu? Öyle değil. Rüzgar ve güneş enerjisi kullanarak amonyak üretmek isteyen herkes, kimyasal reaksiyon yollarında bir dizi tuzakta gezinmelidir.
Çalışmanın baş yazarı Hossein Bema, “Lityum aracılı azot indirgeme reaksiyonu (LINRR), amonyak sentezini elektriklendirmenin en sağlam yolu olarak kabul edilir” diyor. Bu sistemde, lityum iyonları (li+) elektrokimyasal olarak bir lityum metal tabakasına indirgenir. Bu lityum metal daha sonra azot gazı ile reaksiyona girebilir (N2) bir lityum azot bileşiği oluşturmak.
Bir hidrojen kaynağı varsa, lityum-azot bileşiği amonyağa dönüştürülür (NH3) ve çözünmüş lityum iyonları. Sonra süreç tekrar başlar. En azından teori bu.
Kornienko, “Bu sistemi genellikle birkaç pratik zorluk olduğu için şimdilik bir model olarak görüyoruz” diyor. Lityum iyonlarını metalik lityuma azaltmak için yüksek voltaj gerektiğinden, enerji verimliliği yaklaşık%25 ile sınırlıdır.
Ek olarak, lityum metal oldukça reaktif olduğundan, sistem hava ve susuz bir ortamda çalışmalıdır. Başka bir zorluk, pillere benzer şekilde, lityum tabakasında gözenekli bir katı elektrolit interfaz (SEI) büyümesidir. Bu tabaka azot gazı ve hidrojenin lityum için reaktan olarak geçmesine izin vermelidir.
Yanlış şey kurban ediliyor
İdeal olarak, hidrojen doğrudan suyun bölünmesinden gelir. Bununla birlikte, bu sistemde alkoller genellikle hidrojen kaynağı olarak kullanılır. Bazı durumlarda, çözücü de ayrışır ve daha sonra bir hidrojen kaynağının kendisi olarak hizmet eder. Kimyager, “Bu, amonyum üretmek için birkaç alkol veya solvent molekülünün feda edilmesi gerektiğinden sistemi pratik hale getiriyor” diyor.
Bununla birlikte, araştırmacılar hidrojeni doğrudan suyun bölünmesinden çıkarmanın ve azota aktarmanın bir yolunu bulmuşlardır. Hem elektrot hem de bir membran olarak bir paladyum (PD) folyo kullandılar. Kornienko, “Palladyum bir membran görevi görebilir çünkü hidrojen atomlarının geçmesine izin veriyor.”
Deneyde, PD folyosu, linrr reaksiyonlarının gerçekleştiği susuz bir reaksiyon ortamını su bazlı bir reaksiyon ortamından ayırdı. Kimyager, “Sonunda, hidrojen atomlarını elektrokimyasal olarak doğrudan sudan çıkarabildik ve amonyak üretmek için reaktif lityum/lityum azot malzemesine aktarabildik” diyor.
Araştırmacılar, bunun gerçekten amaçlandığı gibi çalıştığını doğrulamak için kızılötesi spektroskopi ve kütle spektrometrisi kullandılar. Su kaynağı olarak ağır bir hidrojen izotopu (deuterium = D) kullandılar ve ND ürettiler3 NH yerine3. Tersine, araştırmacılar LinRR bölmesindeki tüm molekülleri H yerine D yerine D ile etiketlediler.3 bu durumda üretildi ve nd değil3 daha önce olduğu gibi.
Bemana ve Kornienko bu süreç için zaten bir patent başvurusu yaptılar. Araştırma ekibi, amonyak üretmek için sadece deneyleri için elektrik kullandı (NH3). Bununla birlikte, istenen azot gübresi yenilenebilir enerji kaynaklarından ekonomik olarak üretilmeden önce hala uzun bir yol var. Bunu başarmak için, bilim adamları mevcut deneylerinden 1.000 kat daha fazla bir verim elde etmek zorunda kalacaklardı. “Hala ilk aşamalardayız,” diyor kimyager. “Genel olarak, sistemin reaksiyon oranları ve seçiciliği üzerinde araştırmalar yapılmalıdır – elektronların istenen hedefe kontrolü.”
