Inspirado en un rayo, un reactor ecológico convierte el aire y el agua en amoníaco
Sin huella de carbono
Es muy probable que usted deba su existencia al proceso Haber-Bosch. Esta reacción química industrial entre hidrógeno y nitrógeno produce amoníaco, el ingrediente clave de los fertilizantes sintéticos que abastecen gran parte de la alimentación mundial y permitieron la explosión demográfica del siglo pasado. También puede amenazar la existencia de las generaciones futuras. El proceso consume alrededor del 2% del suministro total de energía del mundo, y el hidrógeno necesario para la reacción procede en su mayor parte de combustibles fósiles.
Un reactor electroquímico de plasma desarrollado por el equipo de Chris Li puede convertir el nitrógeno del aire en amoníaco sin dejar huella de carbono.
Douglas Levere/University at Buffalo
Inspirándose en la forma en que la naturaleza -incluidos los rayos- produce amoníaco, un equipo dirigido por la Universidad de Buffalo ha desarrollado un reactor que produce el producto químico a partir del nitrógeno del aire y el agua, sin ninguna huella de carbono.
Este reactor electroquímico de plasma, descrito en un estudio publicado por la revistaJournalof the American Chemical Society, puede mantener una elevada tasa de producción de amoníaco de aproximadamente 1 gramo al día durante más de 1.000 horas a temperatura ambiente, y lo hace directamente a partir del aire.
Los investigadores afirman que se trata de un avance significativo hacia la síntesis ecológica de amoníaco con una tasa de producción y una estabilidad de reacción competitivas a nivel industrial.
"El amoníaco se considera a menudo la sustancia química que alimenta al mundo, pero también tenemos que afrontar la constatación de que el proceso Haber-Bosch no se ha modernizado desde su invención hace 100 años. Sigue utilizando un proceso de alta temperatura y alta presión, y genera una gran huella de carbono, lo que lo hace insostenible a largo plazo", afirma el autor correspondiente del estudio, Chris Li, doctor y profesor adjunto de Química en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB. "Nuestro proceso sólo requiere aire y agua, y puede funcionar con electricidad renovable".
Imitar el ciclo natural del nitrógeno
La naturaleza tiene su propia forma de producir fertilizantes. En la fijación del nitrógeno, la energía eléctrica de un rayo rompe las moléculas de nitrógeno de la atmósfera para formar distintas especies de óxido de nitrógeno. Tras caer en forma de agua de lluvia, los óxidos de nitrógeno son convertidos en amoníaco por las bacterias del suelo, suministrando nutrientes a las plantas.
En el reactor de dos pasos del equipo dirigido por la UB, el papel del rayo se sustituye por plasma y el de las bacterias por un catalizador de cobre-paladio.
"Nuestro reactor de plasma convierte el aire humidificado en fragmentos de óxido de nitrógeno, que luego se introducen en un reactor electroquímico que utiliza el catalizador de cobre-paladio para convertirlos en amoníaco", explica Li.
El catalizador es capaz de adsorber y estabilizar los numerosos productos intermedios de dióxido de nitrógeno creados por el reactor de plasma. El algoritmo de teoría de grafos del equipo identificó que la mayoría de los compuestos de óxido de nitrógeno tienen que pasar por óxido nítrico o amina como paso intermedio antes de convertirse en amoníaco. Esto permitió al equipo diseñar inteligentemente un catalizador que se une favorablemente a esos dos compuestos.
"Cuando la energía del plasma o un rayo activan el nitrógeno, se genera una sopa de compuestos de óxido de nitrógeno. Convertir simultáneamente, en nuestro caso, hasta ocho compuestos químicos distintos en amoníaco es increíblemente difícil", explica Xiaoli Ge, primera autora del estudio e investigadora postdoctoral en el laboratorio de Li. "La teoría de grafos nos permite trazar todas las rutas de reacción e identificar un producto químico de cuello de botella. A continuación, optimizamos nuestro reactor electroquímico para estabilizar el producto químico cuello de botella, de modo que todos los diferentes productos intermedios se conviertan selectivamente en amoníaco".
Ampliación
El equipo de Li se encuentra actualmente en el proceso de ampliar su reactor y está explorando tanto una puesta en marcha como asociaciones con la industria 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 mundial se produce en cuatro países -China, Estados Unidos, Rusia e India-, mientras que muchos países en desarrollo no pueden producir el suyo propio. Mientras que el proceso Haber-Bosch debe realizarse a gran escala en una central eléctrica centralizada, Li afirma que su sistema puede hacerse a una escala mucho menor.
"Se puede imaginar nuestros reactores en algo así como un contenedor de transporte de tamaño medio con paneles solares en el techo. Se pueden colocar en cualquier lugar del mundo y generar amoníaco a demanda para esa región", explica. "Esa es una ventaja muy interesante de nuestro sistema, y nos permitirá producir amoníaco para regiones subdesarrolladas con acceso limitado al proceso Haber-Bosch".
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Publicación original
Xiaoli Ge, Chengyi Zhang, Mayuresh Janpandit, Shwetha Prakash, Pratahdeep Gogoi, Daoyang Zhang, Timothy R. Cook, Geoffrey I.N. Waterhouse, Longwei Yin, Ziyun Wang, Yuguang C. Li; "Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis"; Journal of the American Chemical Society, 2024-12-12
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