Ερευνητική ομάδα από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ ανέπτυξε μια νέα αρχή σχεδιασμού καταλυτών που μπορεί να αυξήσει σημαντικά την αποδοτικότητα της φιλικής προς το περιβάλλον παραγωγής αμμωνίας. Η μέθοδος καταφέρνει να περιορίζει την ανεπιθύμητη παραγωγή υδρογόνου, διατηρώντας παράλληλα την αντίδραση που οδηγεί στη δημιουργία αμμωνίας.
Η πρόκληση της καθαρής παραγωγής αμμωνίας
Η αμμωνία θεωρείται σημαντικός φορέας ενέργειας του μέλλοντος, καθώς μπορεί να αποθηκεύσει μεγάλες ποσότητες υδρογόνου και παραμένει σε υγρή μορφή σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που διευκολύνει τη μεταφορά της. Ωστόσο, η παραδοσιακή μέθοδος παραγωγής της, η διαδικασία Haber-Bosch, απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, καταναλώνοντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας και προκαλώντας εκπομπές άνθρακα.
Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η ηλεκτροχημική αντίδραση αναγωγής του αζώτου, η οποία χρησιμοποιεί μόνο νερό, άζωτο και ηλεκτρική ενέργεια. Το βασικό πρόβλημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι το υδρογόνο παράγεται συχνά ευκολότερα από την αμμωνία, μειώνοντας σημαντικά την απόδοση.
Έλεγχος του περιβάλλοντος της αντίδρασης
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Yousung Jung, ακολούθησαν μια διαφορετική στρατηγική. Αντί να προσπαθήσουν να μειώσουν συνολικά την παρουσία πρωτονίων, τα οποία είναι απαραίτητα τόσο για την παραγωγή υδρογόνου όσο και για τη σύνθεση αμμωνίας, σχεδίασαν το περιβάλλον της αντίδρασης ώστε να εμποδίζεται επιλεκτικά μόνο η ανεπιθύμητη διαδικασία.
Η ιδέα βασίστηκε στη λειτουργία των φυσικών ενζύμων, τα οποία επιλέγουν συγκεκριμένα μόρια μέσω της κατάλληλης γεωμετρικής διαμόρφωσης. Οι επιστήμονες εφάρμοσαν αυτή την αρχή στους ηλεκτροχημικούς καταλύτες, ελέγχοντας τη διάταξη των μορίων που μεταφέρουν πρωτόνια.
Η στερεοχημική παρεμπόδιση περιορίζει το υδρογόνο
Το κλειδί της νέας τεχνικής είναι η αύξηση της στερεοχημικής παρεμπόδισης, δηλαδή η δημιουργία γεωμετρικών περιορισμών που δυσκολεύουν την προσέγγιση των πρωτονίων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται το ενεργειακό εμπόδιο για το πρώτο στάδιο σχηματισμού υδρογόνου.
Αντίθετα, η αντίδραση αναγωγής του αζώτου επηρεάζεται ελάχιστα, επειδή τα μόρια αζώτου προεξέχουν από την επιφάνεια του καταλύτη και παραμένουν προσβάσιμα. Τα μοντέλα μικροκινητικής επιβεβαίωσαν ότι η μεγαλύτερη στερεοχημική παρεμπόδιση διατηρεί υψηλή απόδοση σε μεγαλύτερο εύρος τάσεων.
Προοπτικές για καθαρή ενέργεια
Η νέα προσέγγιση μπορεί να αυξήσει την αποδοτικότητα της ηλεκτροχημικής παραγωγής αμμωνίας από περίπου 70% σε σχεδόν 100%, σύμφωνα με τους ερευνητές. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει την τοπική παραγωγή αμμωνίας κοντά σε πηγές ανανεώσιμης ενέργειας, μειώνοντας την ανάγκη για μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις.
Η μέθοδος αναμένεται επίσης να εφαρμοστεί και σε άλλες ηλεκτροχημικές τεχνολογίες, όπως η αναγωγή διοξειδίου του άνθρακα, όπου η αντιμετώπιση ανταγωνιστικών αντιδράσεων αποτελεί βασικό εμπόδιο για μεγαλύτερη αποδοτικότητα.