Dit bijzondere materiaal maakt kunstmest uit lucht

Het gaat om een ultradun materiaal dat ‘MXeen’ heet. MXenen bestaan uit laagjes van slechts enkele atomen dik. In dit onderzoek ging het specifiek om een variant met titanium en stikstof, zogeheten titaannitride-MXeen.

Toen de onderzoekers dit materiaal in verschillende vloeistoffen onderdompelden, zagen ze iets vreemds gebeuren. In water en andere polaire vloeistoffen veranderden plots de trillingen van het materiaal. In niet-polaire vloeistoffen, zoals koolwaterstoffen, bleef alles normaal.

Na verder onderzoek bleek dat de stikstofatomen in het materiaal reageren met hun omgeving. Ze vormen sterke chemische verbindingen met de vloeistof, wat het hele trillingsgedrag beïnvloedt. Vergelijkbare materialen met koolstof in plaats van stikstof vertonen dat effect niet.

Dat bracht de onderzoekers op een idee: wat als dit materiaal stikstofgas uit de lucht zou kunnen omzetten in ammoniak? Dat zou enorm interessant zijn, want ammoniak is onmisbaar voor de wereldwijde voedselproductie; het is de basis van kunstmest en kan ook dienen als milieuvriendelijke brandstof.

Bij proeven met speciaal gemerkte stikstof ontdekten de onderzoekers dat het materiaal eerst zijn eigen stikstof gebruikt om ammoniak te vormen. Daarna vult het zichzelf weer aan met nieuwe stikstof uit de lucht. Zo blijft het materiaal intact en kan het keer op keer worden hergebruikt.

Dat maakt deze ontdekking veelbelovend. De traditionele productie van ammoniak via het Haber-Bosch-proces kost namelijk gigantisch veel energie, omdat het onder hoge druk en temperatuur gebeurt. De nieuwe methode werkt gewoon bij kamertemperatuur en zou op termijn met elektriciteit kunnen worden aangedreven, een veel duurzamer alternatief.

Bron: Journal of the American Chemical Society