Se abre una nueva puerta para comprender la catálisis de la producción de amoníaco
Un equipo de investigadores estudia el mecanismo de reacción para la producción catalítica de amoníaco en PETRA III
Un equipo de investigadores de la Universidad de Estocolmo, en colaboración con el DESY y la Montanuniversität Leoben de Austria, ha logrado investigar por primera vez la superficie de catalizadores de hierro y rutenio en la formación de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno; los resultados se han publicado en la revista científica Nature. Gracias al conocimiento exacto del funcionamiento de estos catalizadores, quizá sea posible identificar materiales aún más eficaces para el proceso. Esto, a su vez, podría conducir a una mayor sostenibilidad en la industria química, actualmente muyintensiva en CO2.
El amoníaco, producido en el proceso Haber-Bosch, es actualmente uno de los productos químicos de base más esenciales para la producción mundial de fertilizantes, con una producción anual de 110 millones de toneladas. La revista Nature propuso en 2001 que el proceso Haber-Bosch fue el invento científico más decisivo para la humanidad durante el siglo XX, ya que ha salvado la vida de unos 4.000 millones de personas al evitar la hambruna masiva. Una estimación del contenido de nitrógeno en el ADN y las proteínas de nuestro cuerpo muestra que la mitad de los átomos pueden proceder de Haber-Bosch.
"A pesar de que el proceso Haber-Bosch ha recibido tres Premios Nobel (1918, 1931 y 2007), no ha sido posible investigar experimentalmente la superficie del catalizador con métodos sensibles a la superficie en condiciones reales de producción de amoníaco; no se habían podido conseguir técnicas experimentales con sensibilidad a la superficie a presiones y temperaturas suficientemente altas. En consecuencia, no se han podido verificar de forma inequívoca las distintas hipótesis sobre el estado del catalizador de hierro como metálico o en nitruro, ni la naturaleza de las especies intermedias de importancia para el mecanismo de reacción", afirma Anders Nilsson, catedrático de Física Química de la Universidad de Estocolmo.
"Lo que ha permitido este estudio es que hemos construido en Estocolmo un instrumento de espectroscopia de fotoelectrones que permite estudiar las superficies de los catalizadores a altas presiones. De este modo, hemos podido observar directamente lo que ocurre cuando se produce la reacción", afirma David Degerman, Postdoc en Física Química de la Universidad de Estocolmo. "Hemos abierto una nueva puerta a la comprensión de la catálisis de la producción de amoníaco con nuestro nuevo instrumento, con el que ahora podemos detectar los productos intermedios de la reacción y aportar pruebas del mecanismo de reacción".
"El innovador instrumento de espectroscopia de la Universidad de Estocolmo, en combinación con los parámetros del haz de PETRA III, permite ahora realizar experimentos in-operando sobre catalizadores a presiones diez veces superiores a las de otras fuentes de luz sincrotrón", afirma Christoph Schlueter (DESY), jefe de la línea de luz P22. "Disponer de nuestro instrumento de Estocolmo en una de las fuentes de rayos X más brillantes del mundo en PETRA III en DESY en Hamburgo ha sido crucial para llevar a cabo el estudio", dice Patrick Lömker, Postdoc en la Universidad de Estocolmo. "Ahora podemos imaginar lo que podremos examinar en el futuro con fuentes aún más brillantes cuando la máquina se actualice a PETRA IV".
"Las desafiantes mediciones aclaran por fin importantes cuestiones abiertas sobre las especies activas en la síntesis del amoníaco", afirma Christoph Schlueter. Durante las investigaciones, el equipo de investigadores descubrió que la superficie del catalizador no forma nitruros, sino que permanece metálica en todas las condiciones en las que se produce amoníaco. La superficie del rutenio -un catalizador más activo que el hierro, pero mucho más caro- permanece completamente libre de especies nitrogenadas, lo que limita su actividad. El primer paso disociativo, en el que las moléculas de nitrógeno se rompen por completo, determina la velocidad de la reacción global. A temperaturas más altas, el hierro se comporta de forma similar al rutenio, pero también en este caso la velocidad de reacción está controlada en parte por el proceso de unión de átomos de hidrógeno a las especies de nitrógeno. A temperaturas más bajas, la velocidad global disminuye y el paso limitante de la reacción está completamente ligado a este proceso de hidrogenación.
"Ahora disponemos de las herramientas necesarias para llevar a cabo investigaciones que conduzcan a nuevos materiales catalizadores para la producción de amoníaco que puedan utilizarse mejor para encajar junto con el hidrógeno producido por electrólisis en la transición ecológica de la industria química", afirma Anders Nilsson.
"Es inspirador investigar sobre un tema tan vinculado a una historia de éxito científico que ha ayudado enormemente a la humanidad. Estoy ansioso por seguir investigando para encontrar nuevos catalizadores que puedan disminuir nuestra dependencia de las fuentes fósiles". Sólo la industria química es responsable del 8% de las emisiones mundiales de CO2", afirma Bernadette Davies, estudiante de doctorado en Química de Materiales de la Universidad de Estocolmo.
"La perspectiva a largo plazo de producir amoníaco mediante una alternativa electrocatalítica impulsada directamente por energía solar o eólica es muy atractiva, y ahora disponemos de herramientas para contribuir científicamente a este desarrollo", afirma Sergey Koroidov, investigador de la Universidad de Estocolmo.
El estudio se realizó en colaboración con el DESY y la Universidad Montan de Austria. En el estudio participaron antiguos empleados de la Universidad, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen y Gabriel Rodrigez.
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Publicación original
Christopher M. Goodwin, Patrick Lömker, David Degerman, Bernadette Davies, Mikhail Shipilin, Fernando Garcia-Martinez, Sergey Koroidov, Jette Katja Mathiesen, Raffael Rameshan, Gabriel L. S. Rodrigues, Christoph Schlueter, Peter Amann, Anders Nilsson; "Operando probing of the surface chemistry during the Haber–Bosch process"; Nature, Volume 625, 2024-1-10
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