Användningen av laserteknik har revolutionerat metoden för kvävefixering, vilket ger ett nytt sätt att syntetisera ammoniak under omgivande förhållanden. Nyligen använde forskare för första gången en kommersiell CO2-laser för att bryta trippelbindningen kväve och kväve, vilket gav ett nytt grönt alternativ till Haber-Bosch-processen.
Den internationella forskargruppen ska ha använt en laser för att omvandla litiumoxid till litiummetall, som sedan spontant reagerade med kväve i luften för att bilda litiumnitrid. Detta salt hydrolyseras lätt till ammoniak, vilket gör att metoden slår rekordutbyten.
Huize Wang, första författare från Helmholtz Institute for Renewable Energy i Tyskland, sa: "Vi introducerade ett banbrytande koncept som använder högenergilasrar för att underlätta omvandlingen av olika oxider till nitrider."
Han tillade, "Vi uppnådde oöverträffade utbyten vid rumstemperatur och atmosfärstryck. Detta resultat är anmärkningsvärt jämfört med andra metoder." Det faktiska utbytet är två storleksordningar högre än andra toppmoderna lösningar, inklusive elektrokemiska och mekanokemiska metoder.
Det här är ett helt nytt tillvägagångssätt för att producera grön ammoniak, som är potentiellt mer hållbar än Haber-Bosch-processen, säger Victor Mougel, expert på elektrokemisk omvandling av små molekyler vid det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich, Schweiz. Haber-Bosch-processen är mycket energikrävande på grund av att den arbetar vid höga temperaturer och tryck, och den leder också till CO2-utsläpp."
Dessutom, sade han, den nya metoden "erbjuder operationell flexibilitet och miljöfördelar" eftersom den fungerar under omgivande förhållanden. Processen kan också producera ammoniak direkt där det behövs, vilket minskar transportkostnaderna.
Teamet använde en infraröd laser för att ge tillräckligt med energi för att dissociera litium-syrebindningen för att producera litiummetall från litiumoxid. När den utsätts för luft, kombineras litiummetall spontant med kväve, vilket bryter den trippelkovalenta kvävebindningen för att producera litiumnitrid.
Han förklarar vidare, "Närnäst får vi ammoniak och litiumhydroxid genom att hydrolysera den lasergenererade litiumnitriden. Dessutom ger denna metod möjligheter till kemisk återvinning. Lasern kan inducera omvandlingen av litiumhydroxid tillbaka till litiumnitrid, vilket effektivt avslutar litiumcykel."
Han tillade: "Detta blir samtidigt ett annat nytt koncept - omvandlingen av hydroxid till nitrid."
Ifan Stephens, expert på elektrokemi och kvävefixering vid Imperial College London (UK), är dock fortfarande skeptisk. Han säger: "Jag är skeptisk till att så höga skördar kommer att vara hållbara på lång sikt. Dessutom kommer det faktum att det är en batchprocess, snarare än en kontinuerlig process, att i hög grad begränsa dess genomförbarhet. Det faktum att elektrokemiska tekniker möjliggör för kontinuerlig drift är en betydande fördel jämfört med nyare laserinducerade metoder."
Dessutom kan lasrars energibehov utgöra ett problem för att skala upp ammoniaksyntesen. Han tillade: "Om du bara producerar ammoniak i liten skala som gödningsmedel i avlägsna områden, blir energieffektiviteten mindre viktig."
Forskarna föreslår att deras metod erbjuder betydande fördelar jämfört med elektrokemi, såsom desolvation och förenkling. Dessutom står alla nya ammoniaksyntesmetoder inför sina största utmaningar när produktionen skalas upp. Forskarna tänker sig att skala upp processen genom att fördela litiumoxidpulver på en gitteryta och sedan bestråla uppsättningen av reaktiva celler en efter en med en laser. Dessutom observerade forskarna att andra oxider uppvisade liknande beteende, såsom magnesium, aluminium, zink och kalcium, om än i lägre avkastning.
Han förklarar, "Detta kan bero på att andra oxider är svårare att dissociera och hydrolysera." Reaktiviteten hos alkaliska och alkaliska jordartsmetaller mot kväve verkar dock lovande. Han säger, "Vår senaste forskning visar att mer rikliga metaller som magnesium och kalcium också kan bryta ner kväve."
