تولید آمونیاک بدون کربن با استفاده از نور خورشید

طبق پژوهشی که در تاریخ ۲۲ مه در مجله «Nature Communications» منتشر شد، این نوآوری می‌تواند مصرف انرژی و انتشار گاز‌های گلخانه‌ای ناشی از تولید آمونیاک را کاهش دهد.

نویسندگان این پژوهش امیدوار هستند که این فناوری با کاهش ردپای کربن در تولید کود و افزایش اتکا به انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاک و پایدار، بخش‌های کشاورزی و صنعتی را متحول کند.

پژوهشگران ژاپنی امیدوارند که این فناوری با کاهش ردپای کربن در تولید کود و افزایش اتکا به انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی پاک و پایدار، بخش‌های کشاورزی و صنعتی را متحول کند

منبع انرژی پاک و پایدار

آمونیاک یک ماده شیمیایی ضروری در صنعت کود است که کشاورزی مدرن به شدت به آن وابسته است. سالانه تقریبا ۲۰۰ میلیون تن آمونیاک در سراسر جهان تولید می‌شود که ۸۰ درصد آن در تولید کود استفاده می‌شود. 

با این حال، مشکل اینجا است که روش‌های مرسوم تولید آمونیاک، مانند فرآیند هابر-بوش (Haber–Bosch process) - روشی صنعتی برای تولید آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن - به دما و فشار بالا نیاز دارد و تقریبا ۲ درصد از انرژی جهان را مصرف می‌کند و مقدار مشابهی دی اکسید کربن آزاد می‌کند.
به گفته یوشیاکی نیشیبایاشی (Yoshiaki Nishibayashi)، استاد شیمی کاربردی دانشگاه توکیو و نویسنده اصلی این پژوهش، اهمیت یافته‌های این پژوهش در همین مسئله است. «نیشیبایاشی» در اظهاراتی رسانه‌ای گفت، این تیم توانسته است یک سیستم کاتالیزوری جدید برای تولید آمونیاک درست کند که از مواد موجود در طبیعت مانند آب و نیتروژن استفاده می‌کند و تمام این فرآیند با استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی انجام می‌شود.
«نیشیبایاشی» گفت: «این نخستین باری است که ما موفق به تولید آمونیاک به صورت فوتوکاتالیستی (کاتالیزگر نوری) با استفاده از نیتروژن موجود در هوا به عنوان منبع نیتروژن و آب به عنوان منبع پروتون، با استفاده از نور مرئی و دو نوع کاتالیزور مولکولی شده‌ایم».
 او می‌افزاید: «ما از یک فوتوکاتالیست ساخته شده از ایریدیوم و ترکیب دیگری به نام تری‌فسفان (Triphosphine) استفاده کردیم که فعال‌سازی مولکول‌های آب و آزادسازی پروتون‌های مورد نیاز برای تشکیل آمونیاک را ممکن ساخت».

دستاورد قابل توجه
آنچه این دستاورد را قابل توجه می‌کند این است که تیم پژوهشی ژاپنی توانست واکنش (فرآیند شیمیایی تولید آمونیاک) را در مقیاسی ده برابر بزرگتر از آزمایش‌های قبلی انجام دهد و راه را برای آزمایش‌ها در مقیاس بزرگ و کاربرد‌های صنعتی احتمالی در آینده هموار کند.

سازوکاری هماهنگ
مکانیسم جدید به استفاده از دو کاتالیزور شیمیایی متکی است که به طور هماهنگ کار می‌کنند. اولی حاوی عنصر مولیبدن است و برای فعال سازی مولکول‌های نیتروژن گرفته شده از هوا استفاده می‌شود، در حالی که دومی یک ترکیب از عنصر ایریدیم است که با استفاده از نور خورشید، واکنش مولکول‌های آب و تری‌فسفان را تسهیل می‌کند.

کاتالیزور ایریدیوم، نور را جذب می‌کند، الکترون‌های درون آن مولکول انرژی نور را می‌گیرند و از سطح انرژی پایین (Ground state) به سطح انرژی بالاتری (Excited state یا برانگیخته) منتقل می‌شوند که این اتفاق کاتالیزور ایریدیوم را قادر می‌سازد فسفین‌ها را یونیزه کند. فسفین‌ها نیز با آب واکنش می‌دهند تا پروتون تولید کنند. سپس کاتالیزور مولیبدن برای کمک به اتصال این پروتون‌ها به مولکول‌های نیتروژن وارد عمل می‌شوند و در نهایت آمونیاک تشکیل می‌شود.

شبیه سازی فرآیند طبیعی
«نیشیبایاشی» معتقد است که این فناوری اساسا آنچه را که در طبیعت اتفاق می‌افتد، شبیه سازی می‌کند. به این ترتیب که گیاهان برای تثبیت نیتروژن و تبدیل آن به آمونیاک از طریق فرآیند‌های بیولوژیکی مرتبط با فتوسنتز به باکتری‌ها متکی هستند. با این حال، برخی چالش‌ها همچنان باقی است؛ مانند برخورد با ترکیبات واسطه (مانند فسفین‌ها) که در صورت عدم مدیریت مسئولانه می‌توانند سمی باشند.

«نیشیبایاشی»، پژوهشگر ژاپنی می‌گوید:«پژوهش ما نمونه‌ای موفق از فتوسنتز مصنوعی برای تولید آمونیاک است که تنها از نور خورشید، آب و نیتروژن موجود در هوا استفاده می‌کند».

او همچنین توضیح می‌دهد: «پژوهش ما نمونه‌ای موفق از فتوسنتز مصنوعی برای تولید آمونیاک است که تنها از نور خورشید، آب و نیتروژن موجود در هوا استفاده می‌کند.»

تلاش‌ها برای تولید آمونیاک سبز

تولید آمونیاک سبز (Green Ammonia) در دهه‌های اخیر به خاطر نگرانی‌های زیست‌محیطی و تغییرات اقلیمی، مورد توجه قرار گرفته است.
فرایند هابر-بوش (به انگلیسی: Haber–Bosch process) که روشی برای تولید صنعتی آمونیاک است، از زمان ابداع از سوی هابر و بوش _دو شیمیدان آلمانی_اساس تولید کود‌های نیتروژنی قرار گرفت و نقش بزرگی در انقلاب سبز و تأمین غذای جهانی ایفا کرد. با این حال، مشکل اصلی آن این است که منبع هیدروژن در این فرآیند، متان (CH₄) است که یک سوخت فسیلی می‌باشد. 

ژاپن نیز همواره به خاطر نیاز به تامین انرژی پایدار و کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای، به آمونیاک سبز توجه ویژه‌ای نشان داده است.