27.10.2022 - Tokyo Institute of Technology

Un catalizador duradero y barato reduce la huella de carbono de la producción de amoníaco

El proceso Haber-Bosch, que se utiliza habitualmente para sintetizar amoníaco (NH3) -la base de los fertilizantes nitrogenados sintéticos- combinando hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2) sobre catalizadores a altas presiones y temperaturas, es uno de los descubrimientos científicos más importantes que ha contribuido a mejorar el rendimiento de los cultivos y a aumentar la producción de alimentos en todo el mundo.

Sin embargo, el proceso requiere un elevado aporte de energía fósil debido a sus requisitos de altas temperaturas y presión. El hidrógeno utilizado para este proceso se produce a partir de gas natural (principalmente metano). Este proceso de producción de hidrógeno consume mucha energía y conlleva una enorme emisión de dióxido de carbono. Para superar estos problemas, se han desarrollado varios catalizadores que permiten que la reacción se produzca en condiciones más suaves utilizando el hidrógeno producido por la electrólisis del agua a través de energías renovables. Entre ellos se encuentran los catalizadores basados en nitruros que contienen nanopartículas metálicas activas como el níquel y el cobalto (Ni, Co) cargadas en soportes de nitruro de lantano (LaN). En estos catalizadores, tanto el soporte como el metal activo participan en la producción de NH3. El metal activo divide el H2 mientras que el soporte de LaN contiene vacantes de nitrógeno y átomos de nitrógeno en su estructura cristalina que adsorben y activan el nitrógeno (N2). Aunque estos catalizadores son baratos (ya que evitan el uso de rutenio, que es costoso), su rendimiento catalítico se degrada en presencia de humedad, ya que el soporte de LaN se transforma en hidróxido de lantano (La(OH)3).

Ahora, en un nuevo estudio publicado en Angewandte Chemie, investigadores de China y Japón, dirigidos por el profesor Hideo Hosono, del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech), han desarrollado un catalizador químicamente estable en presencia de humedad. Inspirándose en los compuestos estables de tierras raras que contienen enlaces químicos entre un metal de tierras raras (en este caso, el La) y un metal, incorporaron átomos de aluminio a la estructura del LaN y sintetizaron un soporte La3AlN químicamente estable que contiene enlaces La-Al que impiden que los átomos de lantano reaccionen con la humedad.

El soporte de La-Al-N junto con los metales activos, como el níquel y el cobalto (Ni, Co), fue capaz de producir NH3 a tasas similares a las de los catalizadores de nitruro metálico convencionales y pudo mantener una producción estable cuando se le alimentó con gas nitrógeno que contenía humedad. "Los catalizadores La-Al-N cargados con Ni o Co no mostraron una degradación clara tras la exposición al 3,5% de humedad", afirma el profesor Hosono.

Mientras que los átomos de Al estabilizaron el soporte, el nitrógeno de red y los defectos de nitrógeno presentes en el soporte dopado permitieron la síntesis de amoníaco de forma similar a los catalizadores convencionales de nitruro de metal activo/tierra rara. "El nitrógeno de la red y la vacante de nitrógeno en La-Al-N desempeñan un papel clave en la adsorción de N2, siendo el soporte de La-Al-N y el metal activo Ni los responsables de la absorción y activación de N2 y H2, respectivamente", explica el profesor Hosono.

El proceso Haber-Bosch es una reacción química que consume mucha energía y que representa aproximadamente el 1 % de las emisiones anuales de dióxido de carbono. Aunque se están investigando enfoques alternativos para la producción de NH3 que sean respetuosos con el medio ambiente, la introducción de catalizadores baratos podría aportar beneficios inmediatos al permitir que el proceso funcione en condiciones más suaves.

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