El amoníaco (NH₃) se puede descomponer para formar gas hidrógeno sin liberar CO₂. La facilidad de transporte y la densidad del hidrógeno lo hacen valioso para la industria de la energía verde. Un inconveniente de utilizar NH₃ es que requiere temperaturas muy altas para la reacción de descomposición. En un ejemplo de colaboración entre la universidad y la industria, un equipo de investigadores japoneses presentó un método asistido por protónicos de superficie para la producción bajo demanda de hidrógeno verde a partir de amoníaco utilizando un campo eléctrico y un catalizador de Ru/CeO₂.
El gas hidrógeno, debido a su alta densidad energética y su naturaleza libre de carbono, está ganando mucha atención como fuente de energía para un futuro verde y sostenible. A pesar de ser el elemento más abundante en el universo, el hidrógeno se encuentra principalmente en estado ligado como compuestos químicos como amoníaco, hidruros metálicos y otros compuestos hidrogenados.
Entre todos los transportadores de hidrógeno, el amoníaco destaca como un candidato prometedor debido a su amplia disponibilidad, su contenido de hidrógeno del 17,6% en peso con hidrógeno y su facilidad de transporte y transporte. Un inconveniente importante que impide su explotación como fuente de hidrógeno verde bajo demanda para aplicaciones prácticas es la temperatura extremadamente alta (>773 K) necesaria para su descomposición. La producción de hidrógeno para pilas de combustible y el uso de motores de combustión interna tienen altas tasas de conversión de amoníaco a bajas temperaturas.
Para resolver este problema, el profesor de la Universidad de Waseda, Yasushi Sekine, desarrolló un nuevo proceso compacto con su equipo, incluidos Yukino Ofuchi y Sai Doi de la Universidad de Waseda, y participó Kenta de Yanmar Holdings. Demostraron una configuración experimental de conversión de amoníaco en hidrógeno de alta velocidad a temperaturas significativamente más bajas mediante la aplicación de un campo eléctrico en presencia de Ru/CeO altamente activo y fácilmente generado.2 El estudio fue publicado en Chemical Science el 27 de agosto de 2024.
“Este es un proyecto de colaboración entre nuestro laboratorio en la Universidad de Waseda y Yanmar Holdings, una empresa líder en el uso de amoníaco. Nuestro objetivo es desarrollar un proceso que nos permita producir hidrógeno bajo demanda de amoníaco para aprovechar el potencial. ”, dice Sekine. . Además de esto, dice: “Por lo tanto, comenzamos a investigar sistemas catalíticos térmicos convencionales donde la reacción implica la disociación de enlaces NH a través de la formación de adsorbatos de N y H y la recombinación de los adsorbatos para formar los correspondientes procesos de N.2 y h2 gases, compartiendo la motivación detrás del estudio de investigación
El equipo observó que el paso determinante de la velocidad en un Ru metálico activo era la desorción de nitrógeno a bajas temperaturas y la disociación de NH a altas temperaturas. Su intento de superar este problema lo llevó a reacciones catalíticas asistidas por campos eléctricos. Esta técnica mejoró el suministro de protones a la superficie del catalizador y redujo la energía de activación requerida para la reacción con su temperatura de reacción para facilitar la conversión eficiente de amoníaco.
Utilizando esta información, el equipo diseñó un nuevo sistema catalítico térmico para la descomposición a baja temperatura de amoníaco en hidrógeno con la ayuda de Ru/CeO de fácil generación.2 Catalizador y campo eléctrico DC. Descubrieron que la estrategia propuesta oxidaba eficazmente el amoníaco por debajo de 473 K. Dado el tiempo de contacto suficientemente largo entre la alimentación de amoníaco y el catalizador, se logró una tasa de conversión del 100% a 398 K, superando la tasa de conversión de equilibrio. Esto se atribuyó a la capacidad del campo eléctrico para promover protónicos de superficie: saltos de protones en la superficie del catalizador con la ayuda de un campo eléctrico de CC. Esto reduce la energía cinética aparente de la reacción de conversión de amoníaco.
Por el contrario, observaron que la ausencia de un campo eléctrico ralentizaba significativamente el proceso de liberación de nitrógeno, provocando que la descomposición del amoníaco se detuviera al cabo de un tiempo. La importancia de los protones de superficie para mejorar las tasas de conversión de amoníaco fue respaldada aún más por los cálculos experimentales y de la teoría funcional de la densidad de los investigadores.
Esta nueva estrategia demostró que se podía producir hidrógeno verde a partir de amoníaco en una vía irreversible a bajas temperaturas, asegurando casi el 100% de conversión a altas velocidades de reacción. “Creemos que nuestro método propuesto puede acelerar la adopción generalizada de combustibles alternativos limpios mediante la creación de una síntesis de CO bajo demanda.2– el hidrógeno libre es más fácil que nunca”, concluye Sekine.
