Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han descubierto cómo un catalizador utilizado en una prometedora reacción industrial ayuda a producir amoníaco, un componente clave de los fertilizantes. En este proceso, el óxido de cobre actúa como un importante catalizador en la reacción electroquímica de reducción de nitrato, un método más respetuoso con el medio ambiente que el método tradicional Haber-Bosch. El equipo descubrió que durante la reacción se forman pequeñas partículas de cobre y que estas partículas ayudan a convertir los iones nitrito en amoníaco. Comprender este paso oculto ofrece nuevas oportunidades para avanzar en una química industrial más limpia.
El amoníaco desempeña un papel central en la producción de fertilizantes y es vital para la agricultura moderna. Hoy en día, la mayor parte del amoníaco se produce mediante el proceso Haber-Bosch, que combina nitrógeno e hidrógeno a temperaturas y presiones extremadamente altas. Este proceso exige una gran cantidad de energía y se estima que contribuye alrededor del 1,4% de las emisiones globales de dióxido de carbono. Dado que el amoníaco está estrechamente vinculado al suministro mundial de alimentos, existe una fuerte motivación para desarrollar alternativas más limpias.
Se está investigando una ruta a baja temperatura para obtener amoníaco
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Fumiaki Amano de la Universidad Metropolitana de Tokio se centró en la reacción electroquímica de reducción de nitrato, un método emergente que produce amoníaco a partir de nitrato a temperatura ambiente y presión atmosférica normal. Las técnicas electroquímicas utilizan electrodos colocados en soluciones químicas mientras se aplican voltajes para desencadenar reacciones específicas. Aunque estudios previos han identificado pasos individuales que tienen lugar en los electrodos durante la formación de amoníaco, ha sido difícil precisar la secuencia completa de eventos.
Seguimiento de cambios de catalizador con herramientas avanzadas
Mediante el uso de técnicas de medición avanzadas, el equipo obtuvo una comprensión más clara de cómo se forma el amoníaco en presencia de un catalizador de óxido de cobre, siendo el óxido de cobre el electrocatalizador más potente para esta reacción. Se basaron en el operando de absorción de rayos X, una técnica que examina tanto el comportamiento electrónico como los cambios estructurales locales. Al unir pequeñas partículas de óxido de cobre a fibras de carbono, pudieron observar cómo respondía el material a medida que el voltaje aplicado se hacía cada vez más negativo.
Bajo un voltaje positivo, descubrieron que los iones de nitrato “pasivan” el catalizador adhiriéndose a su superficie, evitando que el óxido de cobre se convierta en cobre metálico y produzca iones de nitrito. Una vez que el voltaje se vuelve más negativo, la producción de amoníaco aumenta drásticamente. Este aumento se produce al mismo tiempo que aparecen partículas metálicas de cobre, lo que se confirma con un gran salto en los enlaces cobre-cobre. Los investigadores determinaron que este cobre metálico ayuda a añadir hidrógeno a los iones nitrito, lo que lleva a la formación de amoníaco.
Caminos hacia un amoníaco verde más eficiente
Los resultados muestran cómo la pasivación de la superficie afecta el rendimiento de los óxidos de cobre y demuestran que la formación de cobre metálico durante la reacción es esencial para la producción eficiente de amoníaco. Estos resultados indican un amplio conjunto de estrategias para mejorar los procesos de amoníaco verde y diseñar generaciones futuras de catalizadores electroquímicos.
Esta investigación fue apoyada por la Universidad Metropolitana de Tokio y el Programa de Becas de Socios Globales de Tokio y se basa en los resultados del proyecto JPNP14004 encargado por la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Nuevas Energías (NEDO).
