Ny klasse af katalysatorer, der kan producere ammoniak under milde betingelser, har lovende udsigter. Resultatet er bragt i Nature Catalysis.
Produktion af ammoniak udgør omkring 200 megatons om året, hvilket gør det til det næstmest producerede kemikalie i verden, kun overgået af svovlsyre.
Der er flere måder at producere ammoniak på, men Haber-Bosch-processen er fortsat den mest udbredte og tegner sig for omkring 90 % af den samlede produktion. Under alle omstændigheder kræver Haber-Bosch-processen og de andre processer, der anvendes til produktion i industriel skala, høje temperaturer (mere end 400 °C) og tryk (mere end 150 bar). Disse betingelser er nødvendige for at bryde de stærke bindinger i nitrogen og reagere med hydrogen for at danne ammoniak (NH3).
Processerne, der udgør omkring 1 % af det globale energiforbrug, er i vid udstrækning baseret på fossile brændstoffer. Derfor er ammoniak det mest drivhusgasintensive kemikalie at producere på verdensplan, og produktionen står for i alt omkring 1,5 % af de samlede globale CO2-emissioner. Derudover forventes efterspørgslen på ammoniak kun at stige i de kommende år, primært på grund af dens anvendelse i syntetisk gødning, der er nødvendig for at kunne brødføde en voksende global befolkning.
”En af de store udfordringer i forhold til klima, energi og fødevarer er produktionen af ammoniak. I dag fremstilles ammoniak på nogle af de største fabrikker i verden. Den eneste virkelig effektive måde at producere ammoniak på er ved høje temperaturer og under høje tryk samt under anvendelse af fossilt råmateriale,” siger professor Tejs Vegge fra DTU Energi og VILLUM Center for the Science for Sustainable Fuels and Chemicals (V-Sustain). Han stod i spidsen for forskningen sammen med professor Ping Chen fra Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences.
”Naturen er rigtig god til at lave ammoniak ved atmosfærisk tryk og temperaturer i enzymer som nitrogenase. Processen er dog meget langsom og umulig at skalere til industriel produktion,” siger Tejs Vegge.
Mulig game-changer
"Denne nye klasse af katalysatorer faktisk ligger et sted mellem de biologiske og de industrielle processer."
Professor Tejs Vegge.
I årtier har forskere arbejdet hårdt på at finde nye og mere bæredygtige måder at producere ammoniak på. Sammen med teamet fra DICP har Tejs Vegge og hans kolleger fra DTU, dr. Jaysree Pan og lektor Heine A. Hansen, introduceret en mulig game-changer med en ny klasse af komplekse metalhydridkatalysatorer, der muliggjorde den eftertragtede syntese af ammoniak under milde betingelser. De mener, at deres metode kan bane vejen for nye og mere bæredygtige metoder til ammoniakproduktion. Deres artikel er offentliggjort i Nature Catalysis.
Processen gør det muligt at syntetisere ammoniak ved temperaturer helt ned til 300 °C og tryk så lavt som 1 bar. Anvendelsen viser lovende resultater i forhold til produktion af ammoniak i mindre skala og baseret på vedvarende energi. Et sådant system vil nemlig normalt kræve katalysatorer, der arbejder under tryk på omkring 50 bar og temperaturer på under 400 °C.
”Vi mener, at vores forskning skiller sig ud ved, at denne nye klasse af katalysatorer faktisk ligger et sted mellem de biologiske og de industrielle processer. Den har noget fra den menneskelige, kunstige proces – heterogen katalyse – og noget fra det, der foregår i naturen - i enzymatisk og homogen katalyse. Det er en helt ny måde at fremstille ammoniak på, og vi bruger det bedste fra begge verdener, hvilket giver os mulighed for at sænke temperaturen og trykket markant.”
Ingen falske toner
I bund og grund kan den nye alternative klasse af komplekse metalhydridkatalysatorer (Li4RuH6 og Ba2RuH6) katalysere dannelse af ammoniak ud fra hydrogen (H2) og nitrogen (N2). Reduktionen af nitrogen opnås via flere rutheniumhydridkomplekser, [RuH6]4-, som er rige på elektroner og hydrogen. Hydrogenet transporterer elektroner og protoner mellem centrum og nitrogenet. Samtidig stabiliserer alkalimetallerne litium eller barium (Li/Ba) reaktionsmellemprodukterne. Processen er imidlertid meget dynamisk, og flere dele af komplekset udfører også andre funktioner. Alene beregningerne har taget flere år at gennemføre.
”Alt er anderledes end det, vi har set før. Selvom eksempelvis ruthenium er en velkendt komponent i ammoniakkatalyse, er det til stede i en anden form og opfører sig anderledes. Det er omgivet af hydrogenatomer og danner et hydridkompleks, der gør det muligt at overføre hydrogen på en ny måde. Man kan sammenligne denne katalysator med et symfoniorkester, hvor alle skal yde deres bedste for at få det til at gå op i en højere enhed. Det fascinerende er, at det virker – der er ingen falske toner,” siger Tejs Vegge.
"Ammoniakkatalyse er uden tvivl det bedst undersøgte katalysatorsystem i verden. At finde en helt ny mekanisme, der åbner døren til en ny verden, er meget tilfredsstillende som videnskabsmand. Det kan samtidig åbne op for nye muligheder for, at ammoniakproduktionen kan foregå på en mindre energikrævende måde. De eksisterende store fabrikker er nødvendige for at gøre produktionen rentabel. Vores katalysatorer eller lignende koncepter kan bane vej for produktion på mindre, decentraliserede fabrikker. Dette vil også reducere transportbehovet, hvilket bidrager væsentligt til prisen og CO2-udledningen fra ammoniak i dag."
Læs den videnskabelige artikel i Nature Catalysis: Ternary ruthenium complex hydrides for ammonia synthesis via the associative mechanism.