El amoníaco se usa comúnmente en fertilizantes porque tiene el contenido de nitrógeno más alto de los fertilizantes comerciales, lo que lo hace esencial para la producción de cultivos. Sin embargo, se producen dos moléculas de dióxido de carbono por cada molécula de amoníaco producida, lo que contribuye al exceso de dióxido de carbono en la atmósfera.
Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en Informes científicos de la naturaleza.
Desde principios de 1900, el proceso Haber-Bosch se ha utilizado para producir amoníaco. Este proceso funciona haciendo reaccionar el nitrógeno atmosférico con gas hidrógeno. Una desventaja del proceso Haber-Bosch es que requiere alta presión y alta temperatura, lo que deja una gran huella energética. El método también requiere materia prima de hidrógeno, que se deriva de recursos no renovables. No es sostenible y tiene implicaciones negativas sobre el medio ambiente, lo que agiliza la necesidad de procesos nuevos y respetuosos con el medio ambiente.
Los investigadores han propuesto utilizar la reacción electroquímica de reducción de nitrógeno (NRR) para producir amoníaco a partir de nitrógeno atmosférico y agua. Los beneficios de usar un método electroquímico incluyen el uso de agua para proporcionar protones y la capacidad de producir amoníaco a temperatura y presión ambiente. Este proceso requeriría potencialmente menores cantidades de energía y sería menos costoso y más respetuoso con el medio ambiente que el proceso Haber-Bosch.
El NRR funciona mediante el uso de un electrocatalizador. Para que este proceso tenga éxito, el nitrógeno debe unirse a la superficie y romperse para producir amoníaco. En este estudio, los investigadores utilizaron MXene, un nitruro de titanio, como electrocatalizador. Lo que diferencia a este catalizador de otros es que el nitrógeno ya está en su estructura, lo que permite una formulación de amoníaco más eficiente.
«Es más fácil que se forme amoníaco porque los protones pueden adherirse al nitrógeno en la estructura, formar el amoníaco y luego el amoníaco saldrá de la estructura», dijo Johnson. «Se hace un agujero en la estructura que puede atraer el gas nitrógeno y separar el triple enlace».
Los investigadores descubrieron que el uso de nitruro de titanio induce un mecanismo Mars-van Krevelen, un mecanismo popular para la oxidación de hidrocarburos. Este mecanismo sigue una ruta de menor energía que permitiría mayores tasas de producción de amoníaco y selectividad debido al nitrógeno del catalizador de nitruro de titanio.
Sin modificaciones en los materiales, los investigadores alcanzaron una selectividad del 20%, que es la relación entre el producto deseado formado y el producto no deseado formado. Su método podría potencialmente alcanzar un mayor porcentaje de selectividad con modificaciones, forjando un nuevo camino para la producción de amoníaco a través de procesos electroquímicos.
«El Departamento de Energía ha establecido una meta de selectividad del 60%, que es un número difícil de alcanzar», dijo Johnson. «Pudimos alcanzar el 20 % usando nuestro material, mostrando un método que podríamos aprovechar para avanzar. Si actualizamos nuestro material, ¿podemos alcanzar el 60 % pronto? Esa es la pregunta en la que continuaremos trabajando». responder.»
Esta investigación podría potencialmente reducir la huella de carbono y el uso global de energía a mayor escala.
«En el futuro, esto podría ser una gran reforma científica», dijo Djire. «Alrededor del 2% de la energía total del mundo se utiliza para la producción de amoníaco. Reducir ese gran número reduciría drásticamente nuestra huella de carbono y el consumo de energía».
Este estudio fue financiado por el Startup Research Fund. Otros colaboradores de la publicación son Eric Kelley del departamento de ingeniería química de Texas A&M, Brock Hunter de la Universidad de Auburn y Jevaun Christie y Cullan King de la Universidad Prairie View A&M.
Materiales proporcionado por Universidad Texas A & M. Original escrito por Michelle Revels. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.