A szintetikus nitrogén tartalmú műtrágyák komoly szerepet játszanak a bolygó lakosságának élelmiszerrel való ellátásában. Az ehhez szükséges ammónia és karbamid előállítása azonban egy soklépéses eljárás, amely rengeteg energiát emészt fel és ezzel együtt hatalmas szén-dioxid kibocsátással is jár. Egy új, egylépéses elektrokémiai szintézisről adott hírt a C&EN, amely segítségével várhatóan mind a gyártási költségek és a kibocsátás jelentősen lecsökken majd.

Az üzemi karbamid gyártás egy összetett folyamat, amely az ammónia és szén-dioxid reagáltatásán alapul, kb. 200 °C-os hőmérsékleten. A világ teljes ammónia gyártási kapacitásának kb. 80%-a végül a karbamid előállítás során használódik fel. Az ammónia előállításához az úgynevezett Haber-Bosch eljárást használjuk fel közel egy évszázada szinte mindenhol, amely 500 °C feletti hőmérsékletet és nagy nyomást igényel. A két reakció összesen a világ energiafogyasztásának több mint 2%-t emészti fel, és az ipari szinten több CO₂ kibocsátásért felel, mint bármely más vegyipari folyamat.

A Nat. Chem. tudományos szaklapban megjelent új közlemény szerint a fenti energiaigényes megoldás helyett egy elektrokémiai eljárás is alkalmazható a karbamid gyártására, amely során közvetlenül nitrogén és szén-dioxidból állítható elő karbamid egy vizes közegben lezajló reakció során normális nyomáson és szobahőmérsékleten.

A reakció ilyen alacsony hőmérsékleten és nyomáson való véghezvitelét egy speciális palládium-réz összetételű nanorészecskéket tartalmazó titán-dioxid nanolemezekből álló katalizátor teszi lehetővé. A folyamat egy gázáramot biztosító elektromos cellában zajlik, amely katódja a fenti anyagot tartalmazó szénlap, míg az anód egy nikkel alapú ötvözet. Az elektródák, amelyeket membrán választ el, egy kálium bikarbonát oldatba merülnek. A cellán CO₂ és N₂ keverékét átszivattyúzva a gázok egy része az elektródák felületén reakcióba lép, amely során karbamid keletkezik.

A reakció mechanizmus kutatók szerint többlépéses. Elsőként az elektródák felületén a nitrogén elősegíti a CO₂ redukcióját, azt szén-monoxiddá alakítva. Az így kialakult CO-ból aztán további nitrogén molekulákkal reagálva további köztes termékeket keletkeznek. Ezen köztes termékek CO-dal való reakciója hatására kialakul az első C-N kötés, amely a karbamid alapja.

A titán-dioxid felület fontos szerepet játszik a különböző közbenső termékek stabilizálásában. A teljes rendszer hatékonysága, amely azt fejezi ki, hogy a bevitt elektromos áram hány százaléka járul hozzá a karbamid előállításához, jelenleg kb. 9%. Az elektrolit koncentrációjának és az áramlási sebesség növelésével az eredmények szerint ez a hatékonyság növelhető.

Mivel a hatékonyság még alacsony, az ipari szintű alkalmazás még messzi célnak tekinthető csak. De ez az új reakció út nagy reményekkel kecsegtet több kutató szerint. Egy tisztán elektrokémiai szintézis segítségével a mostani, nagyipari szinten végzett, s emiatt rendszerint hatalmas befektetéseket és energiaforrásokat megkívánó ammónia gyártás végre decentralizálható lenne. Ha az új eljárás miatt kisebb befektetés mellett is nyereséges az üzemeltetés, akkor ipari szereplők vagy kevesebb fosszilis erőforrással rendelkező országok is tudnának karbamidot gyártani, s ezzel a helyi mezőgazdaságot segíteni.

A kutatók új elektróda összetétellel próbálják majd a folyamat hatékonyságát növelni a jövőben. A csoportot már megkereste néhány vállalat, hogy a nagyobb prototípusok tervezésében és kivitelezésében részt vegyenek.