Investigadores de la Universidad de Florida Central (UCF) y Virginia Tech han desarrollado una método sostenible de producción de amoníaco, un compuesto de nitrógeno e hidrógeno, que es vital para la vida en la tierra, incluida la producción de alimentos para alimentar a la creciente población mundial.

El avance es un paso importante hacia la sostenibilidad de una industria que depende mucho de los combustibles fósiles y podría conducir a una forma más ecológica de alimentar al mundo.

El artículo se publica en la revista Nature Communications.

El amoníaco juega un papel importante en la fabricación de una amplia variedad de productos, desde textiles hasta explosivos.

Debido a que tiene tanto valor en una amplia variedad de industrias, el amoníaco es uno de los químicos inorgánicos más altamente producidos en el mundo, con los Estados Unidos como uno de los principales productores y consumidores del mundo.

Sobre 88 por ciento de amoníaco en los Estados Unidos se utiliza para fertilizantes.

Problemas con los métodos existentes

Por todo lo que el amoniaco proporciona como fertilizante, su producción conlleva importantes costos ambientales.

La Proceso Haber-Bosch, que ha sido el método más común de producción de amoníaco desde la Primera Guerra Mundial, requiere altas temperaturas y una tremenda presión.

Las moléculas de nitrógeno e hidrógeno deben calentarse a temperaturas entre 662 ° a 1022 ° F entre 2,200 y 5,100 libras por pulgada cuadrada de presión.

Como resultado, el proceso consume 1-2 por ciento del suministro de energía anual global, dijo Xiaofeng Feng, un profesor asistente de física en la UCF que dirigió el equipo de investigación.

Entonces, si bien la invención de este proceso ayudó a estimular el surgimiento de la agricultura industrial a gran escala para alimentar a la población mundial en constante crecimiento, es responsable de las prolíficas emisiones de gases de efecto invernadero: 3 porcentaje de las emisiones de carbono del mundo - y la contaminación del agua subterránea, que son perjudiciales para los ecosistemas locales y el medio ambiente mundial.

Los altos costos ambientales han inspirado muchos esfuerzos recientes para hacer que la producción de amoníaco sea más sostenible.

Un enfoque que los científicos han estado explorando es encontrar formas de producir el químico en condiciones más suaves y utilizando energía eléctrica.

"Un enfoque electroquímico puede permitir sostenible, la síntesis de amoníaco usando electricidad de fuentes de energía renovables como la solar y la eólica ", dijo Feng.

Desafortunadamente, los métodos electroquímicos han demostrado ser demasiado ineficaces para ser utilizados en la producción de amoníaco a gran escala.

Por lo general, han utilizado un mecanismo convencional, llamado "proceso de transferencia de electrones acoplado a protones", en el que los electrones activos que pasan a través de un electrodo se utilizan para impulsar la reacción, y el agua sirve como fuente de hidrógeno.

A través de este método, se produce amoníaco, aunque de manera ineficiente y a una baja velocidad de reacción.

El método mejorado de Feng

El equipo de Feng, sin embargo, ha encontrado una manera de desarrollar procesos electroquímicos más eficientes energéticamente.

El método usa hidruro de paladio como catalizador, lo que permite que los electrones se usen mucho más eficientemente.

El paladio, que es altamente activo para la reacción de evolución del hidrógeno, una reacción que compite con la reacción de síntesis de amoníaco, había recibido poca atención como catalizador para la producción de amoníaco electroquímico, explicó Feng.

"Nuestra investigación descubrió que el catalizador de paladio puede permitir una alta actividad y selectividad con un sobrepotencial mínimo (o energía eléctrica), debido a un mecanismo de transferencia de hidruro único habilitado por el hidruro de paladio", dijo. "Este nuevo mecanismo puede no solo proporcionar una nueva ruta para la síntesis de amoníaco sostenible, sino también inspirar a los investigadores pares a utilizar el principio para abordar otras reacciones para la conversión de energía renovable".

¿Qué es lo siguiente?

En el futuro, los investigadores pretenden continuar desarrollando y optimizando su método de síntesis de amoníaco."Nuestro siguiente paso es comprender mejor y mejorar el proceso catalítico utilizando técnicas avanzadas como la espectroscopía de rayos X basada en sincrotrón y el electrodo de difusión de gas", dijo Feng. "También desarrollaremos catalizadores más eficientes con poca carga de paladio o metales no preciosos para la síntesis de amoníaco".