Onderzoekers pleiten voor meer werk om de stikstofcyclus in evenwicht te brengen

Door menselijke activiteit is de stikstofcyclus uit balans geraakt, wat heeft geleid tot een overvloed aan schadelijke stikstofproducten die door atmosferische, mariene en landecosystemen circuleren. Elektrokatalyse kan de oplossing bieden en de stikstofkringloop in evenwicht brengen, als onderzoekers kritische onderzoeksvragen kunnen beantwoorden. Credit: Nano-onderzoeksenergieTsinghua University Press

Meer dan 112 jaar geleden hebben Fritz Haber en Carl Bosch een proces geïndustrialiseerd dat ammoniak kon produceren uit stikstof die direct beschikbaar is in de lucht, waardoor commercieel levensvatbare chemische meststoffen werden gecreëerd die de gewasproductie konden verbeteren. Beschouwd als een van de belangrijkste wetenschappelijke doorbraken van de 20e eeuw, wordt het Haber-Bosch-proces nog steeds gebruikt om gewassen over de hele wereld te verbouwen. Het heeft miljoenen van hongersnood gered, maar het verstoort, samen met andere menselijke activiteiten, de stikstofcyclus van de planeet, verwarmt de aarde en brengt mogelijk de gezondheid van miljoenen in gevaar.

Volgens Xuping Sun, professor aan het Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China, is het daarom tijd om het lopende wetenschappelijke werk te herzien om de stikstofcyclus opnieuw in evenwicht te brengen. Sun en zijn team beoordeelden de laatste jaren van onderzoek in het veld en vatten de meest veelbelovende paden voor de toekomst samen in een paper dat op 2 juni werd gepubliceerd in Nano-onderzoeksenergie.

“Het grootste deel van de atmosfeer van de aarde – 78% – bestaat uit atmosferische stikstof, waardoor het de grootste bron van stikstof is”, zei Sun. “Maar atmosferische stikstof is beperkt beschikbaar voor biologisch gebruik, wat leidt tot een schaarste aan bruikbare stikstof in veel soorten ecosystemen, dus ondergaat het verschillende soorten transformaties om het evenwicht te bewaren. De mensheid heeft de stikstofcyclus van de aarde uit balans gebracht.”

Stikstof doorloopt verschillende chemische vormen terwijl het zich verplaatst tussen ecosystemen in de atmosfeer, het water en het land. Zo kochten planten vóór de komst van het Haber-Bosch-proces ammonium uit de ontbindende micro-organismen in compost en mest die stikstof opnemen en omzetten. De planten nemen het ammonium, van de micro-organismen of van kunstmest, op in hun wortels, maar ze kunnen de overvloed die kunstmest biedt niet gebruiken.

“Wanneer plantenwortels de meststof niet verwijderen, loopt een deel van het veld en vervuilt de waterwegen,” zei Sun. “De rest wordt verbruikt door een reeks bodemmicro-organismen die ammoniak omzetten in nitriet, dan nitraat en ten slotte in stikstofgas. Dat kan samen met zuurstof tot lachgas, algemeen bekend als lachgas, dat ongeveer 300 keer effectiever is bij het verwarmen van de atmosfeer dan koolstofdioxide.”

Het antwoord, zei Sun, zou elektrokatalyse kunnen zijn. Dit proces maakt gebruik van een katalysator om een ​​chemische reactie op een elektrode te versnellen en wordt vaak gebruikt in producten als brandstofcellen of batterijen.

“Elektrokatalyse is een eenvoudige maar krachtige methode die werkt onder omgevingsomstandigheden, waarbij katalytische materialen de efficiëntie van de conversie bepalen,” zei Sun. “De katalyse van de stikstofcyclus bevat verschillende omzettingsreacties en bijbehorende potentiële elektrokatalysatoren, dus een echt effectieve en stabiele katalysator is onze beste kans om de stikstofcyclus in evenwicht te brengen, vooral als deze flexibel, duurzaam en compatibel genoeg is om intermitterende hernieuwbare energie om te zetten in waarde -toegevoegde chemicaliën met minimale CO2-uitstoot.”

De onderzoekers bekijken specifiek hoe recente ontwikkelingen in heterogene nanomaterialen, of afstembare atomaire materialen waarvan de specifieke grootte en rangschikking de reactie kunnen veranderen, mogelijke oplossingen kunnen bijdragen.

“Hoewel er een overvloed aan katalysatoren is ontwikkeld, die een goede efficiëntie vertonen en met mechanistische verklaringen, zijn er nog steeds grote doorbraken nodig”, zei Sun. “We hopen dat dit artikel de aandacht van meer onderzoekers zal vestigen op de problemen op dit gebied die moeten worden opgelost, inclusief nauwkeurige kwantitatieve methoden of nieuwe indicatoren voor het bepalen van de katalysatoractiviteit; en echt efficiënte, stabiele en economische katalytische systemen, waarvoor de katalysator nodig is , elektrolyt, reactor en meer.”

Sun zei dat de onderzoekers van plan zijn om door te gaan met het onderzoeken van verschillende benaderingen voor het ontwikkelen van elektrokatalysatoren die het balanceren van de stikstofcyclus kunnen versnellen.