Tim Nikolay Kornienko menunjukkan bagaimana amonia dapat diproduksi dari air dan gas nitrogen menggunakan listrik dari matahari dan angin
Kemanusiaan memiliki nafsu makan yang tak pernah puas untuk amonia: zat ini digunakan untuk membuat pupuk, yang pada gilirannya digunakan di sebagian besar pertanian modern. Sampai sekarang, proses haber-bosch telah menjadi metode pilihan untuk mengekstraksi nitrogen dari atmosfer yang tampaknya tidak ada habisnya dan mengikatnya dalam bentuk amonia. Namun, metode ini membutuhkan gas metana dan energi yang sangat besar. Prof. Nikolay Kornienko dari University of Bonn telah menemukan alternatif yang lebih ramah iklim untuk memproduksi amonia dari sumber energi terbarukan. Tim peneliti sekarang menyajikan temuannya dalam jurnal Nature Communications.
Seperti di Garden of Eden: biji -bijian, bit, dan kentang harus tumbuh secan mungkin sehingga piring terisi dengan baik. Ini dipastikan oleh fertilisasi reguler-terutama dengan nitrogen. Sumber nutrisi yang tampaknya tidak pernah kering. Pada awal abad ke -20, Fritz Haber dan Carl Bosch mengembangkan proses yang mengekstraksi nitrogen dari udara yang tampaknya tidak ada habisnya. Prestasi ini memberi mereka Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 1918.
Menggunakan katalis berbasis besi, tekanan sangat tinggi, dan suhu hingga 500 derajat Celcius, proses Haber-Bosch mengikat nitrogen dari udara ke hidrogen, menghasilkan amonia. Sebagai tambahan, beberapa tanaman juga menguasai seni nitrogen atmosfer yang mengikat dengan bakteri kecil di akarnya dan membuatnya tersedia untuk pertumbuhan mereka. Namun, tanaman hijau melakukan ini dengan cara netral iklim, sedangkan manusia belum berhasil melakukannya.
“Proses Haber-Bosch sangat padat energi,” kata Nikolay Kornienko dari Institute of Inorganic Chemistry di University of Bonn. Produksi amonia didasarkan terutama pada bahan bakar fosil, yang berarti bahwa emisi gas rumah kaca tinggi. “Untuk mencapai tujuan masyarakat yang berkelanjutan dan netral-iklim, pencarian proses sintesis amonia alternatif adalah prioritas,” kata Kornienko, yang juga anggota area penelitian transdisiplin “materi” di University of Bonn.
Pupuk nitrogen dari matahari dan angin
Metode alternatif? Ini telah bereksperimen dengan beberapa waktu. Tujuannya adalah untuk menggantikan sintesis amonia haber-bosch dengan proses yang menggunakan energi terbarukan dari sumber-sumber seperti matahari dan angin. Hidrogen yang dibutuhkan kemudian tidak lagi berasal dari gas metana, tetapi akan diperoleh langsung dari pemisahan listrik air (H2O) menjadi hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Kedengarannya sederhana? Tidak. Siapa pun yang ingin menghasilkan amonia dalam skala besar menggunakan angin dan tenaga surya harus menavigasi sejumlah jebakan di jalur reaksi kimia.
“Reaksi reduksi nitrogen yang dimediasi lithium (LINRR) dianggap sebagai cara yang paling kuat untuk menggemparkan sintesis amonia,” kata Hossein Banaa, penulis utama penelitian ini. Dalam sistem ini, ion lithium (Li+) secara elektrokimia dikurangi menjadi lapisan logam lithium. Logam lithium ini kemudian dapat bereaksi dengan gas nitrogen (N2) untuk membentuk senyawa lithium-nitrogen. Jika sumber hidrogen tersedia, senyawa lithium-nitrogen diubah menjadi amonia (NH3) dan ion lithium terlarut. Kemudian prosesnya dimulai All'over lagi. Setidaknya itulah teorinya.
“Kami umumnya melihat sistem ini sebagai model untuk saat ini, karena ada beberapa kesulitan praktis,” kata Kornienko. Karena tegangan tinggi diperlukan untuk mengurangi ion lithium menjadi lithium logam, efisiensi energi terbatas sekitar 25 persen. Selain itu, sistem harus beroperasi di lingkungan yang bebas air, karena logam lithium sangat reaktif. Tantangan lain adalah bahwa, mirip dengan baterai, interfase elektrolit padat (SEI) tumbuh pada lapisan lithium. Lapisan ini harus memungkinkan gas nitrogen dan hidrogen untuk melewati sebagai reaktan terhadap lithium.
Hal yang salah dikorbankan
Idealnya, hidrogen akan datang langsung dari pemisahan air. Namun, dalam sistem ini, alkohol biasanya digunakan sebagai sumber hidrogen. Dalam beberapa kasus, pelarut juga terurai dan kemudian berfungsi sebagai sumber hidrogen itu sendiri. “Ini membuat sistem tidak praktis, karena beberapa alkohol atau molekul pelarut harus dikorbankan untuk menghasilkan amonium,” kata ahli kimia itu.
Namun, para peneliti telah menemukan cara untuk mengekstrak hidrogen langsung dari pemisahan air dan mentransfernya ke nitrogen. Mereka menggunakan foil paladium (PD) sebagai elektroda dan membran. “Palladium dapat berfungsi sebagai membran karena memungkinkan atom hidrogen untuk melewati,” lapor Kornienko. Dalam percobaan, foil PD memisahkan lingkungan reaksi anhidrat, di mana reaksi linrr terjadi, dari lingkungan reaksi berbasis air. “Pada akhirnya, kami dapat mengekstraksi atom hidrogen secara elektrokimia langsung dari air dan memindahkannya ke bahan lithium/lithium-nitrogen reaktif untuk menghasilkan amonia,” kata ahli kimia itu.
Para peneliti menggunakan spektroskopi inframerah dan spektrometri massa untuk memverifikasi bahwa ini benar -benar berfungsi sebagaimana dimaksud. Mereka menggunakan isotop berat hidrogen (deuterium = D) sebagai sumber air dan menghasilkan ND3, bukan NH3. Sebaliknya, para peneliti memberi label semua molekul di kompartemen LinRR dengan D alih -alih H – seperti yang diinginkan, NH3 diproduksi dalam kasus ini dan bukan ND3 seperti sebelumnya.
Peneliti mengajukan aplikasi paten
Hossein Bemana dan Nikolay Kornienko telah mengajukan aplikasi paten untuk proses ini. Tim peneliti hanya menggunakan listrik untuk percobaannya untuk menghasilkan amonia (NH3). Namun, masih ada jalan panjang sebelum pupuk nitrogen yang diinginkan dapat diproduksi secara ekonomi dari sumber energi terbarukan. Untuk mencapai hal ini, para ilmuwan harus mencapai hasil 1.000 kali lebih besar daripada dalam percobaan mereka saat ini. “Kami masih dalam tahap awal,” kata ahli kimia itu. “Secara umum, penelitian perlu dilakukan pada laju reaksi dan selektivitas sistem-kontrol elektron ke target yang diinginkan.”
