Es muy probable que deba su existencia al proceso Haber-Bosch.
Esta reacción química industrial entre hidrógeno y nitrógeno produce amoníaco, un ingrediente clave en los fertilizantes sintéticos que suministran gran parte de los alimentos del mundo y permitieron la explosión demográfica del siglo pasado.
También puede amenazar la existencia de generaciones futuras. Este proceso consume alrededor del 2% del suministro total de energía mundial y el hidrógeno necesario para la reacción proviene principalmente de combustibles fósiles.
Inspirándose en cómo la naturaleza, incluida la electricidad, produce amoníaco, un equipo dirigido por la Universidad de Buffalo ha desarrollado un reactor que produce la sustancia química a partir del nitrógeno del aire y el agua, sin carbono del signo de.
Así lo describe un estudio publicado por Plasma Electrochemical Reactors Revista de la Sociedad Química Estadounidense, Puede mantener altas tasas de producción de amoníaco de aproximadamente 1 g/día durante más de 1000 horas a temperatura ambiente, y lo hace directamente del aire.
Los investigadores dicen que este es un avance significativo hacia la síntesis de amoníaco verde a tasas de producción y estabilidad de reacción industrialmente competitivas.
“A menudo se piensa que el amoníaco es la sustancia química que alimenta al mundo, pero también nos enfrentamos a la constatación de que el proceso Haber-Bosch no se ha modernizado desde su invención hace 100 años. Todavía utiliza procesamiento a alta temperatura y alta presión, y crea una gran huella de carbono, lo que lo hace insostenible a largo plazo”, dice el autor correspondiente del estudio, Chris Lee, Ph.D., Asst. Catedrático de Química de la Facultad de Artes y Ciencias de la UB. “Nuestro proceso sólo requiere aire y agua y puede funcionar con electricidad renovable”.
Imitando el ciclo del nitrógeno de la naturaleza
La naturaleza tiene su propia manera de producir fertilizantes.
En la fijación de nitrógeno, la energía eléctrica de un rayo rompe las moléculas de nitrógeno en la atmósfera para formar varias especies de óxido de nitrógeno. Después de caer en forma de agua de lluvia, las bacterias del suelo convierten los óxidos de nitrógeno en amoníaco, que proporcionan nutrientes a las plantas.
En el reactor de dos etapas del equipo dirigido por la UB, el papel de la electricidad es reemplazado por plasma y el papel de las bacterias es reemplazado por un catalizador de cobre.
“Nuestro reactor de plasma convierte el aire húmedo en partículas de óxido de nitrógeno, que luego se colocan en un reactor electroquímico que utiliza un catalizador de cobre y paladio para convertirlas en amoníaco”, dice Lee.
Es importante destacar que el catalizador es capaz de absorber y estabilizar varios intermediarios de dióxido de nitrógeno creados por el reactor de plasma. El algoritmo de teoría de grafos del equipo indicó que la mayoría de los compuestos de óxido de nitrógeno deben pasar por óxido nítrico o una amina como paso intermedio antes de formar amoníaco. Esto permitió al equipo diseñar de forma inteligente un catalizador que se une favorablemente a estos dos compuestos.
“Cuando la energía del plasma o un rayo golpea el nitrógeno, se crea una sopa de compuestos de óxido de nitrógeno. En nuestro caso, es increíblemente difícil convertir ocho compuestos químicos diferentes en amoníaco al mismo tiempo”, dice Xiaoli Ge, primer autor del estudio. e investigador postdoctoral en el laboratorio de Lee. “La teoría de grafos esencialmente nos permite trazar todas las diferentes vías de reacción y luego identificar una barrera química. Luego optimizamos nuestro reactor electroquímico para estabilizar la sustancia química del cuello de botella, de modo que todos los diversos intermediarios puedan convertirse selectivamente en amoníaco”.
Aumentar proporcionalmente
El equipo de Lee se encuentra actualmente en el proceso de ampliar su reactor y está buscando tanto una startup como una asociación industrial para ayudar a comercializarlo. La Oficina de Transferencia de Tecnología de la UB ha presentado una solicitud de patente sobre el reactor y los métodos para su uso.
Más de la mitad del amoníaco del mundo es producido por cuatro países: China, Estados Unidos, Rusia e India, mientras que muchos países en desarrollo no pueden producir el suyo propio. Si bien el proceso Haber-Bosch debe realizarse a gran escala en una planta de energía central, Lee dice que su sistema se puede realizar a una escala mucho menor.
“Se pueden imaginar nuestros reactores como paneles solares en el techo de un contenedor de transporte de tamaño mediano. Luego se pueden colocar en cualquier parte del mundo y producir amoníaco en esa región según la demanda”, afirma. “Ésta es una ventaja muy interesante de nuestro sistema y nos permitirá producir amoníaco para una zona desatendida con acceso limitado al proceso Haberbosch”.
