Νέοι ορίζοντες για το αειφόρο ενεργειακό μέλλον με την φωτοχημική σταθεροποίηση αζώτου

Πώς μπορεί ένας φωτοκαταλύτης να μετατρέψει το άζωτο σε αμμωνία χρησιμοποιώντας νερό και φως; Μετά από διεθνή συνεργασία, ερευνητές από την Κίνα και τη Σιγκαπούρη εξέτασαν την τεχνολογία αιχμής των φωτοκαταλυτών για τη σταθεροποίηση του αζώτου (N2) προς την κατεύθυνση της κατανόησης της σύνθεσης αμμωνίας (NH3).

Το Ν2 είναι ένα από τα πιο άφθονα αέρια στη Γη, που αποτελείται από το 78% της ατμόσφαιρας. Παρ ‘όλα αυτά, το Ν2 στην αέρια κατάσταση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά από τους περισσότερους μηχανισμούς. Επομένως, το N2 πρέπει να είναι “σταθερό” για να μετατραπεί σε μορφή που μπορεί να καταναλωθεί από φυτά, ζώα και ανθρώπους.

Μέχρι σήμερα, υπάρχουν δύο τυπικοί μέθοδοι για την πραγματοποίηση της σταθεροποίησης του Ν2. Το ένα είναι μια φυσική και βακτηριακή διαδικασία και μια άλλη, η διαδικασία Haber-Bosch, είναι συνθετική. Τα τελευταία 100 χρόνια, η μετατροπή του Ν2 οδήγησε στην παραγωγή λιπασμάτων μεγάλης κλίμακας και συνέχισε την παροχή πρόσληψης τροφής στον παγκόσμιο πληθυσμό.

“Η διαδικασία Haber-Bosch χρησιμοποιεί υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, απαιτώντας έτσι μια τεράστια ποσότητα (περίπου 2%) της παγκόσμιας προσφοράς ορυκτών καυσίμων. Επομένως, αντιλαμβανόμαστε ότι μια εναλλακτική διαδικασία που χρησιμοποιεί νανοϋλικά που απορροφούν φωτεινή ενέργεια για να μιμηθούν τη φυσική φωτοσύνθεση στα φυτά θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως εναλλακτική λύση για τον καθορισμό αζώτου “, δήλωσε ο Δρ. Wee-Jun Ong, ερευνητής του Ινστιτούτου Έρευνας και Τεχνολογίας Υλικών (IMRE).

“Σε σύγκριση με τη θερμοχημική καταλυτική διαδικασία, η τεχνητή φωτοσύνθεση θεωρείται ως μια βιώσιμη διαδρομή για την αποθήκευση ανανεώσιμης ηλιακής ενέργειας με τη μορφή ενεργειακά πυκνών χημικών προϊόντων”, ανέφερε ο Ong.

“Η θερμοδυναμική μη αυθόρμητη αντίδραση μπορεί να επιτευχθεί μέσω ενός συνδυασμού διαχωρισμού νερού και μείωσης του Ν2 πάνω από έναν φωτοκαταλύτη παρουσία ηλιακού φωτός”, εξήγησε.

Σε πρόσφατο άρθρο του Horizon, ο Ong και οι συνάδελφοί του παρουσιάζουν μια έκθεση προόδου σχετικά με τον φωτοκαταλυτικό καθορισμό του Ν2, που φυσικά προκαλείται από τη δράση μικροβίων.

«Κατατάσσουμε τους φωτοκαταλύτες με βάση τις χημικές συνθέσεις που κυμαίνονται από το οξείδιο του μετάλλου έως το σουλφίδιο του μετάλλου, τα οξυαλογονίδια του βισμούθιου, τα ανθρακούχα νανοϋλικά και άλλα πιθανά υλικά. -και επηρεάζει την φωτοκαταλυτική δραστηριότητα των σχεδιασμένων καταλυτών “, σημειώνει ο Xingzhu Chen, ο οποίος συνοψίζει τα ευρήματα.

Οι ερευνητές ελπίζουν να μεταφραστούν από το εργαστηριακό επίπεδο σε βιομηχανικές εφαρμογές και να ενισχύσουν την απόδοση των καταλυτών διατηρώντας παράλληλα τις εγγενείς δομές για την εμπορία ανανεώσιμης αμμωνίας.

Ο Dr. Ong είπε: «Μελετώντας τις μακροπρόθεσμες προοπτικές, είμαστε βέβαιοι ότι η δουλειά μας θα αποτελέσει μια σημαντική βάση για την επόμενη ερευνητική εποχή όχι μόνο στη φωτοκαταλυτική σταθεροποίηση του N2 ειδικά, αλλά και στους διεπιστημονικούς τομείς της χημείας, της επιστήμης των υλικών , μετατροπή ενέργειας και αποθήκευση ενέργειας. “

Εκτός από την ηλιακή καθοδήγηση N2, ο Dr. Ong, ο καθηγητής Li και οι ομάδες τους αναζητούν τον έξυπνο σχεδιασμό των φωτοκαταλυτών, οι οποίοι μπορούν να καταστήσουν τον κατακερματισμό του H2O και τη μείωση του CO2 πιο αποτελεσματικό και βιώσιμο μέσω της ηλιακής ενέργειας μέσω πειραματικών και υπολογιστικών αναλύσεων. Οι εργασίες για τη μετατροπή των καυσίμων από ηλιακή ενέργεια σε ενέργεια βρίσκονται σε εξέλιξη.

Οι εργασίες δημοσιεύτηκαν στο Materials Horizons.