Den kemiska mekanismen för tillverkning av ammoniak funnen

Forskare vid Stockholms universitet har för första gången kunnat studera ytan på järn- och ruteniumkatalysatorer när ammoniak produceras från kväve och vätgas, resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature. Denna process är basen för att tillverka konstgödsel till jordbruk. En bättre förståelse av bildandet av olika molekylära fragment och hur katalysatorytan förändras under en pågående reaktion banar också vägen för en grön omställning av en av de stora industrierna som lämnar ett stort CO₂-avtryck och skapar ett beroende av naturgas.

Biltillverkare har även börjat testa ammoniakdrivna motorer vilket gör att framställning av ammoniak kan spela en ännu större roll i framtiden.

Det som möjliggjort denna studie är ett fotoelektronspektroskopi-instrument som byggts i Stockholm och som möjliggör studier av katalysatorytor under höga tryck. Därigenom har forskarna direkt kunnat observera vad som händer när reaktionen sker.

– Med hjälp av instrumentet har vi kunnat testa de olika hypoteserna om reaktionsmekanismen samt om metallytan bildar nitrider eller förblir ren metall. Vi har lyckats påvisa att metallytorna är helt intakta samt bestämma vilka kvävefragment som finns på ytan under reaktionen och därigenom reaktionsmekanismen, säger Anders Nilsson, professor i kemisk fysik vid Stockholms universitet och en av författarna till studien.

Haber-Bosch-processen, där ammoniak bildas, har en årsproduktion på 110 miljoner ton, och används i dag för att tillverka konstgödsel. Tidskriften Nature föreslog 2001 att Haber-Bosch processen är den viktigaste vetenskapliga upptäckten för mänskligheten under hela 1900-talet (Nature 400, 415 (1999)). Det har uppskattats att ammoniaktillverkningen har förhindrat omfattande massvält och möjliggjort för cirka 4 miljarder människor att överleva. I stort sett hälften av alla kväveatomer som finns inom oss i proteiner och DNA kommer ifrån Haber-Bosch-processen.

Trots att tre Nobelpris har delats ut om Haber-Bosch-processen, 1918, 1931 och 2007, har ingen kunnat direkt studera katalysatorns yta när ammoniak bildas.

– Nu har vi verktyg att kunna forska om andra möjliga katalysatormaterial och därmed möjliggöra en Haber-Bosch-process som passar ihop med elektrolysproducerad vätgas. I ett längre perspektiv kan det bli möjligt att tillverka ammoniak elektrokemiskt direkt vid åkrarna genom små solceller eller vindturbiner som då skulle kunna minimera övergödning, säger Anders Nilsson.

Studien har gjorts i samarbete med Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) i Hamburg och Montanuniversitetet i Österrike. I studien medverkade också Patrick Lömker, David Degerman, Bernadette Davies och Sergey Koroidov från Stockholms universitet samt tidigare medarbetare vid universitetet Chris Goodwin, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen och Gabriel Rodrigez.

Mer information
Artikeln ”Operando Probing of the Surface Chemistry During the Haber-Bosch Process” av Chris Goodwin et al. är publicerad i den vetenskapliga tidskriften Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06844-5
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5

Kontakt
Anders Nilsson, professor vid Fysikum, Stockholms universitet
Tel: 073-994 62 30
E-post: andersn@fysik.su.se

Bildtexter
Konstgödsel i jordbruket, som ofta sprids i form av små korn, har bidragit till mycket större skördar som besparat 4 miljarder människor livet under 1900-talet. I studien visas hur den katalytiska ammoniakprocessen fungerar som är basen till framställning av konstgödsel. Foto: Gudellaphoto/Mostphotos

En bild av hur processen med att tillverka ammoniak elektrokemiskt direkt vid åkrarna kan gå till. Illustration: David Degerman, postdoktor, Fysikum, Stockholms universitet

Ett specialtillverkat fotoelektronspektroskopi-instrument har byggts vid Stockholms universitet och möjliggör studier av katalysatorytor under höga tryck. Foto: Peter Amman