01.09.2022 - Tsinghua University

Un nuevo método de producción de amoníaco podría abrir las puertas a los combustibles alternativos y al almacenamiento de energía

La solución al cambio climático podría estar debajo de su lavabo

El amoníaco, un compuesto de nitrógeno e hidrógeno (NH3) comúnmente conocido por su uso como limpiador doméstico, podría utilizarse como combustible alternativo para vehículos o como potencial medio de almacenamiento de energía. Sin embargo, los métodos tradicionales de producción de amoníaco a partir de óxido de nitrógeno (NO) a gran escala no son eficientes desde el punto de vista energético, y algunos de los esfuerzos más recientes para producir amoníaco a partir de una reacción de reducción del NO tienen bajos rendimientos de amoníaco. Ahora, investigadores de la Universidad de Tsinghua Press, en China, han desarrollado un método ecológico y energéticamente eficiente para producir amoníaco mediante una reacción electrocatalítica de reducción del NO.

El trabajo se publicó en la revista Nanoinvestigación sobre energía el 7 de julio.

"La producción de NH3 a nivel industrial sigue dependiendo en gran medida del proceso Haber-Bosch, que requiere unas condiciones de reacción drásticas debido a la lentitud de la cinética, y el aspecto del aporte de energía del proceso da lugar inevitablemente a una gran cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero", afirma el autor correspondiente, Xijun Liu, de la Escuela de Recursos, Ambientes y Materiales de la Universidad de Guangxi en Nanning (China). Su referencia al proceso Haber-Bosch alude a uno de los primeros -y, desde su desarrollo a principios del siglo XX, uno de los más comunes- procesos de producción de NH3.

Debido a estos inconvenientes, investigaciones anteriores han explorado la producción electrocatalítica -simplemente, un catalizador en una reacción electromagnética- de amoníaco en agua por su rendimiento sin carbono, utilizando materiales basados en metales nobles, materiales basados en carbono y catalizadores de un solo átomo. Sin embargo, la tasa de rendimiento era muy inferior al objetivo del Departamento de Energía de EE.UU., según los investigadores.

Los investigadores estudiaron la reducción de la reacción del NO (NORR) a amoníaco mediante la síntesis de una película nanoporosa de nitruro de vanadio (VN) apoyada en un tejido de fibra de carbono (escrito como np-VN/CF). Probaron el nuevo método, cuya novedad radica en el uso de materiales existentes de la película de VN de una manera y para un propósito nuevos, con una pila de óxido de zinc-nitrógeno.

"Este catalizador diseñado muestra una alta densidad de potencia y una alta tasa de rendimiento de amoníaco correspondiente cuando se utiliza como cátodo en una batería de Zn-NO montada en casa", dijo Liu. "También descubrimos que la eficiencia de faraday ¾ o lo bien que se transfieren los electrones, o la carga, en una transformación electroquímica ¾ se mejoró. Las métricas de rendimiento NORR conseguidas son comparables a los mejores resultados comunicados recientemente".

La elevada eficiencia de Faraday puede atribuirse en parte al hecho de que parte del nitrógeno se "dopó" en la tela de fibra de carbono, lo que la hace más propensa a ser altamente conductora y, por tanto, a favorecer la transferencia de carga.

Para probar el método con la batería, los investigadores hicieron burbujear gas de alimentación de NO en la cámara del cátodo -o parte con carga negativa de una batería-, que estaba separada de la carga positiva por una membrana bipolar. Según los investigadores, el rendimiento de la batería de Zn-NO obtenido superó los resultados comunicados anteriormente. Las mediciones obtenidas en los experimentos se probaron en un sistema de tres electrodos y se compararon con la actividad NORR de un polvo comercial de VN -en contraposición a la película- fundido sobre una tela de fibra de carbono. La versión en película del VN superó a la versión en polvo, que se había utilizado en investigaciones anteriores, en todas las mediciones realizadas. Los investigadores también realizaron cálculos de teoría funcional de la densidad para ofrecer una visión profunda del NORR.

"Nuestro trabajo demuestra el potencial de aplicación de los materiales nanoporosos para la producción electroquímica de NH3 de alto rendimiento", dijo Liu.

Los próximos pasos de la investigación incluirán esfuerzos para ampliar la prueba de concepto demostrada en este experimento.

"Este trabajo confirma además que la electrorreducción del NO es una estrategia prometedora para la síntesis de amoníaco en el ambiente que debería desarrollarse continuamente", dijo Liu.

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