Ammoniak är den mest förekommande samt viktigaste av kvävets alla föreningar och används bland annat som utgångssubstans vid framställning av gödningsämnen. Idag tillverkas nästan all ammoniak genom Haber–Bosch-metoden, en process som bland annat kräver höga tryck och temperaturer, och släpper ut stora mängder koldioxid. Nu har forskare från Monash University hittat ett nytt, hållbarare sätt att framställa ämnet.
Ammoniak (NH3), som är en förening av väte och kväve, finns naturligt i låga halter i alla organismer och har en betydande roll i den globala omsättningen av kväve i kvävets kretslopp. Det är även den industrikemikalie som produceras mest i världen efter svavelsyra, och 80% av all ammoniak som produceras går till användning inom jordbruket i form av konstgödsel. Resterande ammoniak går bland annat till sprängämnestillverkning (4%), plastindustrin (9%) samt annan kemiindustri.
Idag syntetiseras nästan all ammoniak genom industriell framställning via Haber–Bosch-metoden, där vätgas och kväve reagerar vid höga tryck och temperaturer och i närvaro av en katalysator, ofta av järn. Kvävet tillhandahålls från luften, medan vätgasen fås via elektrolys (en kemisk reaktion som drivs av elektricitet) av vatten, reaktion mellan koks och vattenånga, eller från kolväten. I processen bildas även syntesgas som även renas, och ammoniaken separeras. Reaktionsformeln ser ut som följande:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Haber–Bosch-metoden har fått sitt namn efter kemisterna Fritz Haber, som uppfann metoden, och Carl Bosch, som anpassade den till industriell användning. År 1918 fick Haber Nobelpriset för sin upptäckt av metoden, som varit väldigt användbar och viktig för det moderna jordbruket, och idag står ammoniak för världens kvävebehov vid odling. Framställningen av ammoniak kommer dock inte utan problematik. Enligt Institute for Industrial Productivity släppte processen ut 451 miljoner ton koldioxid i luften år 2010. Nu har Alexander Simonov och Douglas MacFarlane tillsammans med medarbetare på Monash University i Australien utvecklat metoden för att göra den mer hållbar genom att tillverka ammoniak med nästan 100% effektivitet.
Genom att förändra elektrolyten, substansen som gör ämnet elektriskt ledande genom rörliga joner, bildades mer ammoniak, och den faradiska effektiviteten – hur mycket ström som omvandlas till målprodukten – ökade. Vanligtvis används en litium-medierad N2-elektrolys, där en betydande del av strömmen går åt till andra reaktioner, exempelvis reduktiv nedbrytning av elektrolyterna. Forskarna ersatte den vanliga elektrolyten till litium bis(triflourmetansulfonyl)imid, och på så sätt skedde inte dessa sidoreaktioner. Istället kunde mer ammoniak bildas. Processen blir därmed inte bara effektivare, utan även stabilare då ingen nedbrytning sker.
Forskarna tror att detta är en metod som kommer att kunna ske för jordbrukarna på plats, där de kan producera några kilogram ammoniak per dag jämfört med Haber–Bosch-metoden där ammoniaken produceras i stora kemiska fabriker som producerar tusentals ton varje dag. De menar även att ammoniak kan vara ett nytt och förnybart alternativ till kolbaserade bränslen. Denna upptäckt har tagit ammoniakframställningen ett steg närmare en hållbar produktion som är stabil och praktisk. Enligt Kartish Manthiram vid California Institute of Technology skulle detta ha varit otänkbart för bara några år sedan.
Källor som användes i den här artikeln
Boerner, Leigh Krietsch; Chemists make N₂ into NH₃ in most efficient electrochemical reaction ever; Chemical & Engineering News ; 2022; https://cen.acs.org/environment/green-chemistry/Chemists-make-N-NH-efficient/100/i27?utm_source=NonMember&utm_medium=Newsletter&utm_campaign=CEN,
Nationalencyklopedin; ammoniak; https://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/ammoniak,
Wikipedia; Haber–Bosch-processen; 2021; https://sv.wikipedia.org/wiki/Haber%E2%80%93Bosch-processen,