Abandonando las viejas costumbres: Avances en la síntesis electroquímica de bajo coste del amoníaco
Los científicos desarrollan un electrocatalizador de alto rendimiento para sintetizar amoníaco en un esfuerzo por sustituir los métodos convencionales poco ecológicos
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El amoníaco (NH3) es una de las sustancias químicas más importantes producidas por el ser humano y tiene un futuro prometedor en aplicaciones energéticas sostenibles, además de utilizarse en la producción de fertilizantes. Por desgracia, hasta ahora, la única forma realista que existe de producir amoníaco a escala industrial es mediante el proceso Haber-Bosch. Esta técnica, descubierta en el siglo XIX, es muy intensiva en energía y poco respetuosa con el medio ambiente; alrededor del 2% de las emisiones anuales de CO2 a nivel mundial proceden de los procesos Haber-Bosch.
Cada año se producen más de 200 millones de toneladas de amoníaco, la mayor parte de las cuales se utiliza como fertilizante. Por ello, es esencial encontrar rutas de síntesis escalables y ecológicas para satisfacer la demanda mundial al tiempo que se protege el medio ambiente.
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"Teniendo en cuenta las amenazas que plantea el calentamiento global, ya es hora de cambiar a una ruta de síntesis de amoníaco con cero emisiones de CO2", afirma el profesor Sangaraju Shanmugam, del Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk (DGIST), en Corea. Shanmugam y sus colegas del DGIST han estado trabajando en la búsqueda de nuevas formas de producir amoníaco mediante reacciones electroquímicas a temperatura ambiente utilizando el nitrógeno (N2) presente de forma natural en el aire, un proceso conocido técnicamente como "fijación electrocatalítica del N2 atmosférico".
Aunque varios grupos de investigación han desarrollado con éxito catalizadores para celdas electroquímicas con altas tasas de producción de amoníaco, muchos adolecen de baja eficiencia y selectividad hacia el N2. Otros requieren metales preciosos o complejos procesos de síntesis, lo que limita su aplicabilidad a escala industrial. En un estudio reciente publicado en Applied Catalysis B: Environmental, los científicos del DGIST dirigidos por el profesor Shanmugam abordan todos estos problemas con un nuevo catalizador para la síntesis electroquímica del amoníaco.
Su método se basa en nanopartículas de nitruro de molibdeno (Mo2N), que comparten propiedades eléctricas con la enzima nitrogenasa que algunas bacterias utilizan para producir amoníaco en la naturaleza. Las nanopartículas por sí solas no sirven; sin embargo, como tienden a pegarse unas a otras, esta aglomeración reduce la superficie total que queda expuesta al N2 y, por tanto, dificulta el rendimiento del catalizador. Para combatir este problema, los científicos produjeron láminas bidimensionales de nitruro de boro hexagonal (h-BN) y las adaptaron para que contuvieran defectos. Estos defectos -vacantes de boro y nitrógeno- proporcionaron lugares para que las nanopartículas de Mo2N se anclaran sin aglomerarse mucho.
Con este catalizador, el equipo consiguió sintetizar amoníaco a un alto ritmo con una eficiencia del 61,5% de forma estable y robusta. Lo más destacable es que todo el proceso de fabricación del catalizador de bajo coste ?-Mo2N/h-BN puede realizarse en un solo paso, lo que lo convierte en una opción atractiva en términos de escalabilidad industrial. Además, el estudio proporcionó información importante sobre cómo el tamaño de las nanopartículas afecta a la selectividad del catalizador para la fijación del nitrógeno. El profesor Shanmugam observa: "Creemos que nuestro trabajo contribuirá en gran medida al desarrollo de catalizadores eficientes. El avance de tecnologías alternativas para la producción de productos químicos valiosos como el amoníaco mediante métodos electrocatalíticos allanará el camino hacia un medio ambiente más limpio y seguro".
Esperemos que nuevos estudios nos permitan finalmente abandonar los métodos de ayer en favor de las alternativas sostenibles de mañana.
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