Nieuwe fotokatalysator produceert ammoniak uit atmosferische stikstof bij kamertemperatuur zonder fossiele brandstoffen

Ammoniak (NH₃) is een belangrijke component in kunstmest en een veelbelovende koolstofvrije energiedrager. De ammoniakproductie verbruikt echter ongeveer 2 procent van de totale energieproductie in de wereld en er komt jaarlijks 500 Mt koolstofdioxide vrij. Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) ontwikkelde een nieuw soort fotokatalysator die met behulp van zonlicht ammoniak kan produceren uit atmosferische stikstof bij kamertemperatuur. Deze nieuwe methode presteerde beter dan de conventionele manier die enorme CO2-uitstoot veroorzaakt. Het onderzoeksteam geloofde dat een dergelijke technologie van duurzame ammoniakproductie de ontwikkeling van de toekomstige stikstofeconomie zou bevorderen.

Dit onderzoek werd geleid door Professor Leung Kwok Hi Michael, Shun Hing Education and Charity Fund Professor of Energy and Environment en Assistant Professor Dr. Shang Jin, beide van CityU’s School of Energy and Environment (SEE), evenals een wetenschapper uit Australië. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano onder de titel “Atomisch gedispergeerde ijzermetaalsite in een op porfyrine gebaseerd metaal-organisch raamwerk voor fotokatalytische stikstoffixatie.”

Ammoniak: een opkomende brandstof die aardolie en steenkool zou kunnen vervangen bij het opwekken van elektriciteit

Ammoniak is een essentieel bestanddeel van voeding en meststoffen. Het grootste deel van de kunstmatige ammoniak wordt gebruikt om meststoffen voor de landbouw te produceren. Ammoniak is ook een belangrijke chemische stof met een breed scala aan industrieel gebruik, van de productie van wasmiddelen tot koelmiddelen. Belangrijker is dat ammoniak de afgelopen jaren veel aandacht heeft gekregen omdat het een bron van waterstof is voor brandstofcellen, en het is gemakkelijker vloeibaar te maken en te transporteren dan waterstof. Bovendien kan ammoniak zelf dienen als brandstof voor andere energieopwekking dan aardolie en steenkool. Er is dus een enorme vraag naar de productie van ammoniak.

Huidige productiemethode: schadelijk voor het milieu

Het “fixeren” van stikstof is een belangrijke stap voordat ammoniak wordt geproduceerd. Hoewel 80 procent van de atmosfeer uit stikstof bestaat, kan deze “vrije” stikstof pas worden gebruikt als deze is omgezet in stikstofhoudende verbindingen. Dit conversieproces wordt “stikstoffixatie” genoemd.

Stikstoffixatie kan natuurlijk of kunstmatig worden gedaan. De kunstmatige manier verwijst meestal naar het industriële Haber-Bosch-proces bij verhoogde temperatuur en druk, waarbij ijzer als katalysator wordt gebruikt om ammoniak te produceren uit stikstof en waterstof. Tegenwoordig is de ammoniakproductie sterk afhankelijk van het Haber-Bosch-proces, maar het is niet duurzaam omdat het een enorme hoeveelheid fossiele brandstoffen verbruikt en enorme CO2-uitstoot veroorzaakt.

Om te zoeken naar een duurzame manier om ammoniak te produceren, brengen Professor Leung en Dr. Jin hun teams samen om een ​​aanpak te ontwikkelen voor stikstofbinding bij omgevingscondities met behulp van water en hernieuwbare energie. De grootste uitdaging voor het gezamenlijke team was het maken van een katalysator die de uitdagende meerstapsreactie van stikstofbinding mogelijk maakt.

Nieuwe biomimetische fotokatalysator

In de natuur bindt ijzer in stikstofase (een soort enzym) gunstig en activeert stikstof, en porfyrine (een soort organische verbinding) in chlorofyl oogst effectief zonlicht. Geïnspireerd door de bovenstaande natuurmechanismen, ontwikkelde het team een ​​op ijzer-gemetalleerde porfyrine gebaseerde metaal-organische raamwerk (MOF’s) fotokatalysator.

Deze biomimetische fotokatalysator, met een dikte van slechts 15 tot 25 nm, kan ammoniak produceren na kunstmatige stikstoffixatie die wordt aangedreven door zonlicht en met water als reductiemiddel, bij omgevingstemperatuur en -druk.

Het team gebruikte MOF’s in deze fotokatalysator omdat het meer actieve plaatsen op het oppervlak opleverde voor adsorptie en activering van stikstof. Dus de efficiëntie van de stikstofreductiereactie wordt verbeterd.

Het team voerde experimenten uit met deze fotokatalysator en bewees dat ammoniak kon worden geproduceerd. “We hebben een nieuwe fotokatalysator ontwikkeld die in staat is om de beste fotokatalytische stikstoffixatieprestaties te bereiken in de categorie van op MOF’s gebaseerde fotokatalysatoren. Het vertoont een van de hoogste ammoniakopbrengsten en de beste hydrolytische stabiliteit in MOF’s”, aldus professor Leung. Een goede hydrolytische stabiliteit betekent dat de fotokatalysator herhaaldelijk moet worden gebruikt.

Door dit onderzoek verkende het team de fotokatalytische stikstofreductiereactie op hun biomimetische fotokatalysator. Dr. Shang wees erop dat de nieuwe kennis die uit dit werk is verkregen, als leidraad zou dienen voor het rationele ontwerp van op MOF’s gebaseerde fotokatalysatoren van de volgende generatie. Hij geloofde dat hun bevindingen het potentieel zouden ontketenen om verschillende op porfyrine gebaseerde MOF’s te ontwikkelen als fotokatalysatoren voor verschillende energie- en milieutoepassingen.

Het team hoopte dat deze baanbrekende studie wetenschappers en ingenieurs op het gebied van katalyse zou inspireren om op MOF’s gebaseerde biomimetische fotokatalysatoren te onderzoeken en te ontwikkelen voor het katalyseren van andere chemische reacties bij omgevingstemperatuur en -druk, niet beperkt tot kunstmatige stikstoffixatie.

“Het produceren van energie en basischemicaliën via processen zonder fossiele brandstoffen is ideaal om koolstofneutraliteit te bereiken. Dit onderzoek ontwikkelde een technologie om ammoniak te produceren uit atmosferische stikstof en water door zonlicht te oogsten. We hebben duurzaam koolstofvrije energie verkregen”, concludeerde professor Leung. Het team geloofde dat hun bevindingen zouden helpen de steeds dringender wordende energiecrisis en milieuproblemen te verminderen.