Ερευνητές του Στάνφορντ ανακάλυψαν έναν απλό και περιβαλλοντικά ορθό τρόπο για την παραγωγή αμμωνίας με μικροσκοπικά σταγονίδια νερού και αζώτου από τον αέρα.
Η αμμωνία (NH3) αποτελεί την αφετηρία για την παραγωγή χημικών λιπασμάτων για τις γεωργικές καλλιέργειες. Για πάνω από έναν αιώνα, ο κόσμος στηρίχθηκε στη διαδικασία Haber-Bosch για την παραγωγή αμμωνίας από το άζωτο σε μεγάλες ποσότητες, μια γερμανική καινοτομία που οδήγησε σε ραγδαία αύξηση της απόδοσης της γεωργίας και βοήθησε στη διατροφή του διαρκώς αναπτυσσόμενου ανθρώπινου πληθυσμού. Όμως αυτή η βιομηχανική διαδικασία είναι πολύ ενεργοβόρα. Για να σπάσουν οι ισχυροί δεσμοί του αζώτου, η διαδικασία Haber-Bosch απαιτεί περίπου 80-300 ατμόσφαιρες πίεσης και θερμοκρασίες γύρω στους 300-500 βαθμούς C. Και η επεξεργασία του φυσικού αερίου με ατμό που περιλαμβάνεται στη διαδικασία αυτή απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα που ως γνωστόν επηρεάζουν αρνητικά το κλίμα.
Συνολικά, για την ικανοποίηση της σημερινής ετήσιας παγκόσμιας ζήτησης 150 εκατομμυρίων τόνων αμμωνίας (!), η διαδικασία Haber-Bosch καταναλώνει περισσότερο από το 2% της παγκόσμιας ενέργειας και αντιπροσωπεύει περίπου το 1% του διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπεται στην ατμόσφαιρα. Αντίθετα, η καινοτόμος μέθοδος που παρουσίασαν οι ερευνητές του Στάνφορντ απαιτεί λιγότερο εξειδικευμένες συνθήκες. "Μείναμε έκπληκτοι όταν είδαμε ότι μπορούσαμε να παράγουμε αμμωνία σε συνήθη περιβάλλοντα θερμοκρασίας και πίεσης μόνο με αέρα και νερό και χρησιμοποιώντας κάτι τόσο απλό όσο ένας ψεκαστήρας", δήλωσε ο βασικός συγγραφέας της μελέτης Richard Zare, καθηγητής Φυσικών Επιστημών και Χημείας στη Σχολή Ανθρωπιστικών Επιστημών και Επιστημών του Στάνφορντ. Η Xiaowei Song, μεταδιδακτορική ερευνήτρια χημείας στο Στάνφορντ, είναι η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε στις 10 Απριλίου στην επιθεώρηση Proceedings of the National Academy of Sciences.
Η νέα μέθοδος χρησιμοποιεί λίγη ενέργεια και έχει χαμηλό κόστος, δείχνοντας έτσι ένα δρόμο προς τα εμπρός για τη δυνητική παραγωγή της πολύτιμης χημικής ουσίας με βιώσιμο τρόπο. Εάν η διαδικασία αυτή μπορέσει να επεκταθεί σε μεγάλη κλίμακα, θα αποτελέσει έναν νέο φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο παραγωγής αμμωνίας, η οποία είναι μια από τις σημαντικότερες χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στον κόσμο.
Μια νέα χημεία από τη μελέτη του γαλάζιου ουρανού
Η νέα χημεία που ανακαλύφθηκε ακολουθεί τα βήματα πρωτοποριακών εργασιών του εργαστηρίου του Zare τα τελευταία χρόνια, οι οποίες εξέταζαν τη μακρόχρονη και εκπληκτικά υψηλή αντιδραστικότητα των μικροσταγονιδίων νερού. Σε μια μελέτη του 2019, ο Zare και οι συνεργάτες του απέδειξαν με πρωτοποριακό τρόπο ότι το καυστικό υπεροξείδιο του υδρογόνου σχηματίζεται αυθόρμητα σε μικροσταγονίδια σε επαφή με επιφάνειες. Τα πειράματα που έγιναν έκτοτε επιβεβαίωσαν έναν μηχανισμό μεταπήδησης ηλεκτρικού φορτίου μεταξύ υγρών και στερεών υλικών και δημιουργίας μοριακών θραυσμάτων, γνωστών ως δραστικών ειδών οξυγόνου.
Προχωρώντας περαιτέρω σε αυτά τα ευρήματα, οι Song και Zare ξεκίνησαν συνεργασία με τον Basheer Chanbasha, καθηγητή χημείας στο Πανεπιστήμιο Πετρελαίου και Ορυκτών King Fahd στη Σαουδική Αραβία. Ο Chanbasha ειδικεύεται στα νανοϋλικά για εφαρμογές στην ενέργεια, την πετροχημική βιομηχανία και το περιβάλλον και πήγε στο Στάνφορντ ως επισκέπτης υπότροφος το περασμένο καλοκαίρι.
Η ερευνητική ομάδα εστίασε σε έναν καταλύτη (όρος που χρησιμοποιείται για κάθε ουσία που αυξάνει τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης, αλλά δεν αποικοδομείται ή δε μεταβάλλεται η ίδια από την αντίδραση) που υποπτεύθηκαν ότι θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη μιας νέας χημικής οδού προς την αμμωνία. Ο καταλύτης αυτός αποτελείται από ένα οξείδιο του σιδήρου, που ονομάζεται μαγνητίτης, και μια συνθετική μεμβράνη που εφευρέθηκε τη δεκαετία του 1960 και αποτελείται από επαναλαμβανόμενες αλυσίδες δύο μεγάλων μορίων. Οι ερευνητές εφάρμοσαν τον καταλύτη σε ένα πλέγμα γραφίτη το οποίο η Song ενσωμάτωσε σε έναν ψεκαστήρα που κινείται με αέριο. Ο ψεκαστήρας εκτόξευε μικροσταγονίδια στα οποία αντλούμενο νερό (H2O) και συμπιεσμένο μοριακό άζωτο (N2) αντιδρούσαν μαζί παρουσία του καταλύτη. Χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται φασματόμετρο μάζας, η Song ανέλυσε τα χαρακτηριστικά των μικροσταγονιδίων και εντόπισε την "υπογραφή" της αμμωνίας στα δεδομένα που συνέλεξε.
Σύνθεση αμμωνίας χαμηλής τεχνολογίας και ενέργειας
Ο Zare και οι συνεργάτες του ήταν πολύ ευχαριστημένοι με αυτό το αποτέλεσμα, ιδίως υπό το πρίσμα της σχετικά χαμηλής τεχνολογικής προσέγγισης. "Η μέθοδός μας δεν απαιτεί την εφαρμογή οποιασδήποτε ηλεκτρικής τάσης ή μορφής ακτινοβολίας", λέει ο Zare. Από μια ευρύτερη σκοπιά της χημείας, η μέθοδος είναι αξιοσημείωτη στο ότι χρησιμοποιεί τρεις φάσεις της ύλης: το άζωτο ως αέριο, το νερό ως υγρό και τον καταλύτη ως στερεό. Η ιδέα της ταυτόχρονης χρήσης αερίου, υγρού και στερεού για την πρόκληση ενός χημικού μετασχηματισμού είναι η πρώτη στο είδος της και έχει τεράστιες δυνατότητες για την προώθηση άλλων χημικών μετασχηματισμών, σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα.
Αν και πολλά υποσχόμενη, η νέα μέθοδος παραγωγής αμμωνίας που αποκάλυψαν οι Zare, Song και Chanbasha βρίσκεται προς το παρόν στο στάδιο της επίδειξης. Το επόμενο βήμα είναι να διερευνήσουν τον τρόπο συμπύκνωσης της παραγόμενης αμμωνίας, καθώς και να εκτιμήσουν πώς η διαδικασία θα μπορούσε ενδεχομένως να επεκταθεί σε εμπορικά βιώσιμα επίπεδα. Ενώ η μέθοδος Haber-Bosch είναι αποτελεσματική μόνο όταν εφαρμόζεται σε τεράστιες εγκαταστάσεις, η νέα μέθοδος παραγωγής αμμωνίας θα μπορούσε να είναι πιο "φορητή" και να γίνεται επί τόπου ή ακόμη και κατά παραγγελία σε αγροκτήματα. Αυτό, με τη σειρά του, θα μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου που σχετίζονται με τη μεταφορά αμμωνίας από μακρινά εργοστάσια.
"Με περαιτέρω ανάπτυξη, ελπίζουμε ότι η μέθοδος παραγωγής αμμωνίας μας θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση των δύο μεγάλων προβλημάτων που ελλοχεύουν, δηλαδή να συνεχίσουμε να τρέφουμε τον αυξανόμενο πληθυσμό δισεκατομμυρίων ανθρώπων της Γης και ταυτόχρονα να μετριάσουμε την κλιματική αλλαγή. Είμαστε αισιόδοξοι και ενθουσιασμένοι για τη συνέχιση αυτής της έρευνας" τονίζει ο Zare.