Poljoprivreda se oslanja na sintetičko azotno đubrivo, koje se pravi korišćenjem energetski i ugljenik intenzivnih procesa i stvara oticanje koje sadrži nitrate. Istraživači su dugo tražili rešenja za smanjenje emisija iz industrije koja predstavlja 3% potrošnje energije svake godine.
Saradnja između dve laboratorije na Univerzitetu Northvestern, u partnerstvu sa Univerzitetom u Torontu, otkrila je da bi proizvodnja uree za đubrivo korišćenjem elektrifikovane sinteze mogla da denitrifikuje otpadnu vodu, istovremeno omogućavajući proizvodnju uree sa niskim intenzitetom ugljenika. Proces, koji uključuje pretvaranje ugljen-dioksida i otpadnog azota korišćenjem hibridnog katalizatora napravljenog od cinka i bakra, mogao bi da koristi postrojenjima za prečišćavanje vode smanjenjem njihovog ugljendioksida i obezbeđivanjem potencijalnog toka prihoda.
Nalazi su objavljeni danas u časopisu Nature Catalisis.
„Procenjuje se da sintetičko azotno đubrivo izdržava polovinu svetske populacije“, rekao je profesor severozapada Ted Sargent, odgovarajući autor u radu. „Glavni prioritet napora za dekarbonizaciju je povećanje kvaliteta života na Zemlji, uz istovremeno smanjenje društvenog neto intenziteta CO 2. Smišljanje kako da se koristi obnovljiva električna energija za napajanje hemijskih procesa je velika prilika po ovom pitanju.“
Sargent je ko-izvršni direktor Instituta za održivost i energiju Paula M. Trienens (ranije ISEN) i multidisciplinarni istraživač u hemiji materijala i energetskim sistemima, sa imenovanjima na odsjeku za hemiju na Veinberg College of Arts and Sciences i odsek za elektrotehniku i računarstvo u McCormick School of Engineering.
U Sargentovom polju, mnogi istraživači su razvili alternativne puteve za proizvodnju amonijaka, prekursora mnogih đubriva, ali malo njih je pogledalo ureu, koja je đubrivo spremno za isporuku. Predstavlja industriju vrednu 100 milijardi dolara. Tim je rekao da je istraživanje proizašlo iz postavljanja pitanja „Možemo li koristiti otpadne izvore azota, zarobljeni CO 2 i električnu energiju za stvaranje uree?“
Iuting Luo, prvi autor lista, postdoktorski saradnik u Sargent grupi i postdoktorski istraživač Bantinga, rekao je da je duboko uranjanje u istorijske reference pomoglo da se identifikuje šta će postati njihov „magični“ hibridni katalizator. Hemičari obično koriste legure ili komplikovanije materijale da pokrenu reakcije, ograničavajući ih da favorizuju jedan po jedan korak reakcije. „Prilično je neuobičajeno spojiti dva katalizatora koji sarađuju u relejnom režimu“, rekao je Luo. „Katalizator je prava magija ovde.“
Tim je video reference koje datiraju još iz 1970-ih koje impliciraju da čisti metali – poput cinka i bakra – mogu biti korisni u procesima koji uključuju konverziju ugljen-dioksida i azota.
Ovi preliminarni eksperimenti, koje je laboratorija Sargent nastavila da replicira, pretvorili su relativno malo početnih sastojaka u željeni proizvod (tim je otkrio oko 20-30% efikasnosti konverzije u ureu).
Stvaranje promena unutar industrije zahteva pažljivu analizu troškova i koristi koja definitivno dokazuje da će se novi proizvodni put na kraju isplatiti i u uštedi energije i troškova. Tu je došlo do istraživanja profesorke hemijskog inženjerstva Dženifer Dan. Čejz Lavale, četvrta godina doktora nauka. student u Dunn laboratoriji, pomogao je timu da sprovede detaljnu analizu životnog ciklusa, pažljivo uključujući svaki ulaz i izlaz energije u različitim scenarijima.
„Koristeći prosečnu američku mrežu, emisije energije su otprilike iste“, rekao je Lavallais. „Ali kada idete na obnovljive izvore, nekoliko faktora smanjuje emisije energije, uključujući sekvestraciju CO 2 i kredite ugljenika uskladištene u polimerima krajnje upotrebe. U postrojenju za prečišćavanje vode, ako dodaje emisije ili energiju, oni se ne podstiču da koriste tehnologije. Videli smo da ovo ne utiče značajno na dnevne operativne troškove i postoji potencijal za prodaju proizvoda.“
Otkrili su da bi efikasnost konverzije morala da dostigne 70% da bi bila praktična.
Istraživači su na kraju postigli svoj cilj počevši od jednostavne greške. Njihova hipoteza je bila čvrsta – sloj cinka na bakru bi rezultirao boljim performansama. Ali u početku, to uopšte nisu otkrili jer su nanosili sloj cinka predebeo i koristili odnos cinka i bakra jedan prema jedan, što je rezultiralo time da se materijal ponašao kao da je samo u interakciji sa cinkom. U jednom trenutku, neko je dodao manje veziva nego što je bilo tipično za mešavinu i nešto cinka je isprano, i eksperiment je funkcionisao veoma dobro. Tim je zatim prilagodio metale u skladu sa tim i odredio odnos jednog dela cinka prema 20 delova bakra što je rezultiralo optimalnim performansama.
Grupa Sargent je takođe primenila računarsko sočivo da otkrije zašto bakar i cink tako dobro funkcionišu zajedno i zašto se činilo da je potrebna sinergija između dve reakcije. Pošto je ove reakcije nemoguće snimiti vizuelno – dešavaju se na skali od nanosekundi – mora se izračunati i odrediti kako se elektroni kreću kroz reakciju.
Ovaj proces je imao dva različita dela. Prvo, ugljenik mora da stupi u interakciju sa cinkom, jer reakcija sa bakrom proizvodi slabu reakciju. U drugoj fazi, tačno je suprotno — azot i bakar stvaraju efikasnu reakciju, dok cink čini vrlo malo.
Postoji način da se ide pre nego što proces bude komercijalizovan, rekli su istraživači. Pre svega, ovakva reakcija ne uzima u obzir nečistoće koje se nalaze u kontekstu tretmana vode. Takođe se nadaju da će povećati vreme koje njihov proces može da funkcioniše.
