Güneş ve Rüzgardan Elde Edilen Elektrik Eullanılarak Su ve Azot Gazından Amonyak Üretilebilir

Tıpkı Cennet Bahçesi'ndeki gibi: Tahıl, pancar ve patatesler, tabakları dolduracak kadar gür bir şekilde filizlenmelidir. Bu, özellikle azotlu düzenli gübrelemeyle sağlanır. Asla kurumayan bir besin kaynağı. 20. yüzyılın başlarında, Fritz Haber ve Carl Bosch, görünüşte tükenmez havadan azot çıkaran bir yöntem geliştirdiler. Bu başarı, onlara 1918'de Nobel Kimya Ödülü'nü kazandırdı.

Demir bazlı bir katalizör, çok yüksek basınç ve 500 santigrat dereceye varan sıcaklıklar kullanan Haber-Bosch işlemi, havadaki azotu hidrojene bağlayarak amonyak üretir. Bu arada, bazı bitkiler köklerindeki minik bakterilerle atmosferdeki azotu bağlayıp büyümeleri için kullanılabilir hale getirme sanatında da ustadır. Ancak yeşil bitkiler bunu iklim açısından nötr bir şekilde yaparken, insanlar henüz bunu başaramamıştır.

Bonn Üniversitesi İnorganik Kimya Enstitüsü'nden Prof. Dr. Nikolay Kornienko, "Haber-Bosch süreci son derece enerji yoğun," diyor. Amonyak üretimi ağırlıklı olarak fosil yakıtlara dayanıyor, bu da sera gazı emisyonlarının da buna bağlı olarak yüksek olduğu anlamına geliyor. Bonn Üniversitesi'nde disiplinlerarası "Madde" araştırma alanının da üyesi olan Kornienko, "Sürdürülebilir ve iklim açısından nötr bir toplum hedefine ulaşmak için alternatif amonyak sentez süreçlerinin araştırılması öncelikli bir konu," diyor.

Güneş ve Rüzgardan Elde Edilen Azotlu Gübre

Alternatif yöntemler mi? Bunlar bir süredir deneniyor. Amaç, Haber-Bosch amonyak sentezini, güneş ve rüzgar gibi kaynaklardan elde edilen yenilenebilir enerjiyi kullanan bir süreçle değiştirmek. Böylece ihtiyaç duyulan hidrojen artık metan gazından değil, suyun (H₂O) elektriksel olarak hidrojene (H₂) ve oksijene (O₂) ayrıştırılmasıyla doğrudan elde edilecek. Kulağa basit geliyor, değil mi? Aslında değil. Rüzgar ve güneş enerjisi kullanarak büyük ölçekte amonyak üretmek isteyen herkes, kimyasal reaksiyon yollarında bir dizi tuzağa düşmek zorunda.

Çalışmanın başyazarı Hossein Bemana, "Lityum aracılı azot indirgeme reaksiyonu (LiNRR), amonyak sentezini elektriklendirmenin en sağlam yolu olarak kabul ediliyor," diyor. Bu sistemde, lityum iyonları (Li⁺) elektrokimyasal olarak bir lityum metal tabakasına indirgeniyor. Bu lityum metali daha sonra azot gazı (N₂) ile reaksiyona girerek bir lityum-azot bileşiği oluşturabilir. Bir hidrojen kaynağı mevcutsa, lityum-azot bileşiği amonyağa (NH₃) ve çözünmüş lityum iyonlarına dönüştürülür. Ardından süreç baştan başlar. En azından teori bu şekilde.

Kornienko, "Uygulamada bazı zorluklar olduğu için bu sistemi şimdilik bir model olarak görüyoruz," diyor. Lityum iyonlarını metalik lityuma indirgemek için yüksek voltaj gerektiğinden, enerji verimliliği yaklaşık %25 ile sınırlı. Ayrıca, lityum metali oldukça reaktif olduğundan, sistemin hava ve su içermeyen bir ortamda çalışması gerekiyor. Bir diğer zorluk ise, pillere benzer şekilde, lityum katmanı üzerinde gözenekli bir katı elektrolit ara fazının (SEI) oluşması. Bu katman, nitrojen gazı ve hidrojenin lityuma reaktan olarak geçmesine izin vermeli.

Yanlış Şey Feda Ediliyor

İdeal olarak, hidrojen doğrudan suyun parçalanmasıyla elde edilirdi. Ancak bu sistemde genellikle alkoller hidrojen kaynağı olarak kullanılır. Bazı durumlarda çözücü de ayrışır ve ardından kendisi bir hidrojen kaynağı görevi görür. Kimyager, "Bu durum, amonyum üretmek için birkaç alkol veya çözücü molekülünün feda edilmesi gerektiğinden sistemi kullanışsız hale getiriyor," diyor.

Ancak araştırmacılar, hidrojeni doğrudan suyun parçalanmasıyla elde edip azota aktarmanın bir yolunu buldular. Hem elektrot hem de membran olarak paladyum (Pd) folyo kullandılar. Kornienko, "Paladyum, hidrojen atomlarının geçmesine izin verdiği için bir membran görevi görebilir," diye belirtiyor. Deneyde, Pd folyo, LiNRR reaksiyonlarının gerçekleştiği susuz bir reaksiyon ortamını su bazlı bir reaksiyon ortamından ayırdı. Kimyager, "Sonunda, hidrojen atomlarını doğrudan sudan elektrokimyasal olarak çıkarabildik ve amonyak üretmek için reaktif lityum/lityum-azot malzemesine aktarabildik," diyor.

Araştırmacılar, bunun gerçekten amaçlandığı gibi çalıştığını doğrulamak için kızılötesi spektroskopi ve kütle spektrometrisi kullandılar. Su kaynağı olarak ağır bir hidrojen izotopu (döteryum = D) kullandılar ve NH₃ yerine ND₃ ürettiler. Tersine, araştırmacılar LiNRR bölmesindeki tüm molekülleri H yerine D ile etiketlediler - istendiği gibi, bu durumda NH₃ üretildi, önceki gibi ND₃ değil.

Araştırmacılar Patent Başvurusunda Bulundu

Hossein Bemana ve Nikolay Kornienko bu süreç için patent başvurusunda bulundu. Araştırma ekibi, amonyak (NH₃) üretmek için yaptığı deneylerde yalnızca elektrik kullandı. Ancak, istenen azotlu gübrenin yenilenebilir enerji kaynaklarından ekonomik olarak üretilebilmesi için hâlâ uzun bir yol var. Bunu başarmak için bilim insanlarının mevcut deneylerinden 1.000 kat daha fazla verim elde etmeleri gerekiyor. Kimyager, "Hâlâ erken aşamalardayız," diyor. "Genel olarak, sistemin reaksiyon hızları ve seçiciliği, yani elektronların istenen hedefe yönlendirilmesi konusunda araştırma yapılması gerekiyor." 

KAYNAK: https://www.chemeurope.com/en/news/1186805/a-more-climate-friendly-way-to-produce-nitrogen-fertilizer.html