Bruken av laserteknologi har revolusjonert metoden for nitrogenfiksering, og gir en ny måte å syntetisere ammoniakk under omgivelsesforhold. Nylig brukte forskere en kommersiell CO2-laser for første gang for å forstyrre nitrogen-nitrogen trippelbindingen, og ga dermed et nytt grønt alternativ til Haber-Bosch-prosessen.
Det internasjonale forskerteamet skal ha brukt en laser for å omdanne litiumoksid til litiummetall, som deretter spontant reagerte med nitrogen i luften for å danne litiumnitrid. Dette saltet hydrolyseres lett til ammoniakk, noe som gjør at metoden kan slå rekordutbytte.
Huize Wang, førsteforfatter fra Helmholtz Institute for Renewable Energy i Tyskland, sa: "Vi introduserte et banebrytende konsept som bruker høyenergilasere for å lette omdannelsen av forskjellige oksider til nitrider."
Han la til, "Vi oppnådde enestående utbytter ved romtemperatur og atmosfærisk trykk. Dette resultatet er bemerkelsesverdig sammenlignet med andre metoder." Det faktiske utbyttet er to størrelsesordener høyere enn andre toppmoderne løsninger, inkludert elektrokjemiske og mekanokjemiske metoder.
Dette er en helt ny tilnærming til å produsere grønn ammoniakk, som potensielt er mer bærekraftig enn Haber-Bosch-prosessen, sier Victor Mougel, en ekspert på elektrokjemisk omdannelse av små molekyler ved det sveitsiske føderale teknologiske instituttet i Zürich, Sveits. Haber-Bosch-prosessen er svært energikrevende på grunn av det faktum at den opererer ved høye temperaturer og trykk, og den fører også til CO2-utslipp."
I tillegg, sa han, gir den nye metoden operasjonsfleksibilitet og miljømessige fordeler, fordi den fungerer under omgivelsesforhold. Prosessen kan også produsere ammoniakk direkte der det trengs, noe som reduserer transportkostnadene.
Teamet brukte en infrarød laser for å gi nok energi til å dissosiere litium-oksygenbindingen for å produsere litiummetall fra litiumoksid. Når det utsettes for luft, kombineres litiummetall spontant med nitrogen, og bryter nitrogen-nitrogen trippel kovalent binding for å produsere litiumnitrid.
Han forklarer videre, "Deretter får vi ammoniakk og litiumhydroksid ved å hydrolysere det lasergenererte litiumnitridet. I tillegg gir denne metoden muligheter for kjemisk resirkulering. Laseren kan indusere omdannelsen av litiumhydroksid tilbake til litiumnitrid, og effektivt avslutte litiumsyklus."
Han la til: "Dette blir samtidig et annet nytt konsept - omdannelsen av hydroksyd til nitrid."
Ifan Stephens, en elektrokjemi- og nitrogenfikseringsekspert ved Imperial College London (UK), er imidlertid fortsatt skeptisk. Han sier: "Jeg er skeptisk til at så høye utbytter vil være bærekraftige på lang sikt. I tillegg vil det faktum at det er en batch-prosess, snarere enn en kontinuerlig prosess, i stor grad begrense gjennomførbarheten. Det faktum at elektrokjemiske teknikker gir rom for kontinuerlig drift er en betydelig fordel i forhold til nyere laserinduserte metoder."
I tillegg kan energikravene til lasere utgjøre et problem for å skalere opp ammoniakksyntese. Han la til: "Hvis du bare produserer ammoniakk i liten skala som gjødsel i avsidesliggende områder, blir energieffektivitet mindre viktig."
Forskerne antyder at metoden deres gir betydelige fordeler fremfor elektrokjemi, som desolvasjon og forenkling. I tillegg står alle fremvoksende ammoniakksyntesemetoder overfor sine største utfordringer når produksjonen skaleres opp. Forskerne ser for seg å skalere opp prosessen ved å fordele litiumoksidpulver på en gitteroverflate og deretter bestråle rekken av reaktive celler én etter én med en laser. I tillegg observerte forskerne at andre oksider viste lignende oppførsel, som magnesium, aluminium, sink og kalsium, om enn i lavere utbytte.
Han forklarer, "Dette kan være fordi andre oksider er vanskeligere å dissosiere og hydrolysere." Imidlertid virker reaktiviteten til alkaliske og jordalkalimetaller mot nitrogen lovende. Han uttaler: "Vår nyere forskning viser at mer tallrike metaller som magnesium og kalsium også kan bryte ned nitrogen."
