Amonyak, dünyada üretilen en önemli kimyasallardan biridir ve her yıl üretilen toplam hacimde sülfürik asitten sonra ikinci sırada yer almaktadır. Çoğunlukla dünya nüfusunu beslemek için gerekli olan gübre yapımında kullanılır. Ancak üretimi dünyanın enerji tüketiminin %2’sine ve sera gazı emisyonlarının yaklaşık %1,5’ine tekabül ediyor, dolayısıyla amonyağı daha sürdürülebilir şekilde üretmenin yolları aranıyor.
Bir asırdan fazla süredir kullanılan ve üretimin büyük çoğunluğunu oluşturan amonyak üretmenin geleneksel yolu, gerekli ısıyı sağlamak için fosil yakıtlara dayanan Haber-Bosch sürecidir. Süreçte kullanılan hidrojen de büyük ölçüde fosil yakıtlardan üretiliyor.
Isı ve basınç yerine elektrokimyayı kullanan başka bir yol daha var, ancak şu ana kadar bu yöntem ihtiyaç duyulan ölçeklerde ekonomik açıdan rekabetçi bir noktaya yaklaşamadı.
Şimdi MIT’deki araştırmacılar, elektrokimyasal amonyak üretiminde katalizör olarak hangi malzemelerin en umut verici olabileceğini tahmin etmenin bir yolunu geliştirdiler. Katalizörler kimyasal reaksiyonların yürütülmesine yardımcı olur ve özellikleri, bu reaksiyonların ne kadar verimli bir şekilde ilerleyeceğini belirler. Milyonlarca olası alaşım arasından her olası kombinasyonu test etmek için deneme yanılma yöntemini kullanmak yerine (ki bu yıllar alabilir) yeni yaklaşım, bu düşük emisyon yöntemini Haber-Bosch süreciyle rekabetçi hale getirebilecek malzeme arayışını büyük ölçüde hızlandırabilir.
Nükleer Bilim ve Mühendislik ile Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (DMSE) bölümlerinde Breen M. Kerr Profesörü Bilge Yıldız, “Yaklaşımımız, amonyak üretiminde katalitik aktiviteyi yönlendiren temel fiziksel özellikleri belirliyor” diyor. Sonuçlar yeni ve daha etkili katalizör bileşikleri arayışına rehberlik edebilir.
Açık erişimli bulgular 11 Ağustos’ta Royal Society of Chemistry dergisinde yayınlandı. EES KataliziYıldız ve doktora öğrencileri DMSE’den Constantine Athanitis ve Kimya Bölümü’nden Filip Grajkowski tarafından hazırlanan bir makalede.
Daha yeşil amonyak sorunu
Athanitis, dünya nüfusu arttıkça “giderek daha fazla yiyeceğe ihtiyacımız olacak ve bu kadar çok insanı geçindirebilmemizin tek nedeni gübredir” diyor. Ancak gübre için gereken amonyağın %90’ından fazlası hala enerji yoğun Haber-Bosch süreci tarafından üretiliyor ve bu süreç “bir asırdan fazla süre önce ilk ortaya çıkışından bu yana aşırı derecede optimize edildi” diyor.
“Toplumun sürdürülebilirlik ve enerji hedefleri ile iklim değişikliği hedefleriyle aynı çizgide kalmaya çalışıyorsak, gerçekten başka bir alternatif bulmamız gerekiyor” diye açıklıyor. Dünya şu anda her yıl yaklaşık 200 milyon metrik ton amonyak kullanıyor; “bu nedenle ideal olarak aynı miktarda, hatta daha fazlasını, ancak daha enerji verimli ve aynı zamanda daha düşük CO ile üretmenin bir yolunu bulabilmek istiyoruz.2 emisyonlar” diyor.
Amonyak üretmek için elektriğin kullanılması yeni bir fikir değil. “Bu aslında sadece proton-elektron çiftleri ile nitrojen gazı arasındaki elektrokimyasal reaksiyon. Ve bu teknolojiler mevcut” diyor. Yaklaşım, cihazlardaki kimyasal reaksiyonları yürütmek için elektrik kullanan elektrolizörlerle aynı temel prensipleri kullanıyor.
Ancak süreç çalışırken endüstriyel ölçekte üretim için yeterince verimli değil. Athanitis, “Üretim oranları ve verim hâlâ çok düşük” diyor. “Bir teknoloji dünya veya iklim için daha iyi olsa da, şirketler ve kapitalizm, maliyet açısından rekabetçi olmadığı sürece buna gerçekten izin vermeyecektir.”
Nasıl daha rekabetçi hale getirilir?
Elektrokimyasal prosesteki ana bileşen, özellikleri yüzeyinde meydana gelen reaksiyonu yönlendiren metalik bir katalizördür. Athanitis, “Eğer bir şekilde ihtiyaç duyulan enerjiyi azaltan ve amonyak üretimi için daha seçici olan bir katalizör bulabilirsek o zaman büyük ikramiyeyi yakalayabiliriz” diyor. Daha seçici bir katalizör, istenmeyen yan reaksiyonları azaltırken daha fazla amonyak üretecektir.
Daha iyi katalizörler bulma
Ancak ideal katalizörü bulmak, yalnızca mükemmel bir malzemeyi tanımlamak meselesi değildir. Farklı malzemeler reaksiyonun farklı kısımlarını iyileştirebilir ve araştırmacılar amonyak üretimini büyük ölçekte verimli, uygun maliyetli ve pratik hale getirebilecek kombinasyonlar arıyorlar.
Yıldız, “Metal nitrür bileşikleri, bu reaksiyon için ve nitrojen indirgeme ve amonyak elektrosentezindeki reaktiviteyi belirleyen elektronik, kimyasal ve yapısal özellikleri tanımlamak için ideal bir malzeme sistemi oluşturuyor” diyor.
Athanitis, geçiş metallerinin bu amaç için umut verici nitrür alaşımları oluşturabileceğini ve tarihsel olarak “malzeme araştırmalarının büyük ölçüde deneme yanılma yoluyla yapıldığını” söylüyor.
Olağan sürecin mevcut bazı malzemeleri alıp “bir şekilde değiştirmek” olduğunu söylüyor. “Her şey bir şekilde bilimsel ve kimyasal sezgi tarafından yönlendiriliyor.”
Artık fiziksel etkileşimleri modellemek ve sonuçları tahmin etmek için hesaplama araçları giderek daha fazla kullanılıyor. Yoğunluk fonksiyonel teorisi adı verilen bir yöntem, malzemelerin özelliklerini ve davranışlarını simüle etmek için kuantum mekaniğini kullanıyor ve araştırmacıların, farklı atomik düzenlemelerin bunları laboratuvarda yapmadan önce nasıl performans gösterebileceğini tahmin etmelerine olanak tanıyor. Yıldız, olası her alaşım kombinasyonunu rastgele aramak yerine, “ilk olarak malzemenin nitrojen azaltımına uygun olmasını sağlayan mikroskobik özellikleri değerlendirdik” diyor.
Amonyak üreten katalizörler için “geçiş metali nitrürlerine bakıyoruz” diyor Athanitis, çünkü bunların bu elektrokimyasal nitrojen reaksiyonlarında etkili olduğu bulundu. Özellikle etkilidirler çünkü “katalizörün doğasında bulunan nitrojen reaksiyonun bir parçası haline gelir.”
Bu, bir adımın bir sonrakini harekete geçirmek için gereken enerjinin bir kısmını sağladığı ve ihtiyaç duyulan girdi enerjisi miktarının azaldığı bir dizi kimyasal adım üretir. Bu, nitrojen indirgeme reaksiyonundaki en büyük darboğazlardan birinin çözülmesine yardımcı oluyor: nitrojen moleküllerindeki güçlü bağları kırmak için gereken yüksek enerji, diyor.
Ancak Athanitis, sürecin mükemmel olmaktan uzak olduğunu söylüyor. “Azot ayrışması ve hidrojen transferi de dahil olmak üzere reaksiyon yolu boyunca belirli adımlarla hala sınırlıdır.” Çalışmada bu darboğazlar tespit edilmeye ve makine öğrenimi yardımıyla bu metallerin hangi alaşımlarının bunların üstesinden gelebileceği belirlenmeye çalışıldı.
Athanitis, bu anlayışla “bize içgörü sağlayabilir ve bu malzemeleri yeni nesil daha iyi nitrür katalizörleri oluşturmak için nasıl ayarlayabileceğimize dair potansiyel stratejiler açabilir” diyor.
Geçmiş teoriyi zorlamak
Bu çalışmaya dahil olmayan Wisconsin Üniversitesi’nden mühendislik profesörü Dane Morgan, yaklaşımın amonyak üretimi için yeni katalizörler tasarlamak için bir temel geliştirmeye yardımcı olabilecek “heyecan verici bir çalışma” olduğunu söylüyor.
Morgan, “Bu çalışma, bir malzemenin temel elektronik özelliklerinin, amonyak yapımında katalizör rolüyle nasıl bağlantılı olduğunu açıklamaya yardımcı oluyor” diyor. “Böyle bir anlayış, araştırmacılara hem daha iyi niteliksel anlayış yoluyla hem de hesaplamalı taramayı hızlandırarak yeni katalizörler tasarlama konusunda rehberlik edebilir.”
Şu ana kadar çalışma tamamen teorik düzeyde kaldı: Araştırmacılar umut verici alaşımları belirlemek için bilgisayar modellerini kullandılar, ancak bu malzemelerin hâlâ üretilip test edilmesi gerekiyor. Morgan, “bu hesaplamaları pratik katalizörlere dönüştürmenin birçok ek adım gerektireceğini, dolayısıyla gerçek dünyada anlamlı bir etkinin muhtemelen hala biraz uzakta olduğunu” belirtiyor.
Bir sonraki adım, amonyak üretmek için katalizörü kullanan ve performansını gerçek çalışma koşulları altında test eden bir laboratuvar cihazı olan, çalışan bir reaksiyon hücresi oluşturmak olacaktır. Athanitis, “Bunun toplumda gerçekten bir etki yaratması için onu deney laboratuvarına getirmemiz gerekiyor” diyor.
“Mümkün olanın sınırlarında her zaman baskılar olmuştur” diye ekliyor. “Burada aday malzemelerin sınırlarını daha önce düşünülenin ötesine taşıdığımızı düşünmek hoşumuza gidiyor ve neredeyse oraya vardığımızı umuyoruz. Ancak neredeyse orada olmasak bile hâlâ doğru yönde ilerliyoruz.”
Robert Egan
Matematiksel biyoloji alanında lisans, yaratıcı yazarlıkta yüksek lisans. Bilim ve dil üzerine eşsiz bakış açılarıyla çok seyahat ettim.
Tam profil →
