Una forma más respetuosa con el clima de producir abono nitrogenado
El amoníaco puede producirse a partir de agua y gas nitrógeno utilizando electricidad solar y eólica
La humanidad tiene un apetito insaciable de amoníaco: esta sustancia se utiliza para fabricar fertilizantes, que a su vez se emplean en la mayor parte de la agricultura moderna. Hasta ahora, el proceso Haber-Bosch ha sido el método elegido para extraer nitrógeno de la atmósfera, aparentemente inagotable, y ligarlo en forma de amoníaco. Sin embargo, este método requiere una cantidad extremadamente grande de gas metano y energía. El profesor Nikolay Kornienko, de la Universidad de Bonn, ha descubierto una alternativa más respetuosa con el clima para producir amoníaco a partir de fuentes de energía renovables. El equipo de investigadores presenta ahora sus hallazgos en la revista Nature Communications.
Como en el Jardín del Edén: Los cereales, las remolachas y las patatas deben brotar lo más exuberantemente posible para que los platos estén bien llenos. Esto se garantiza mediante una fertilización regular, especialmente con nitrógeno. Una fuente de nutrientes que parece no agotarse nunca. A principios del siglo XX, Fritz Haber y Carl Bosch desarrollaron un proceso que extrae nitrógeno del aire, aparentemente inagotable. Este logro les valió el Premio Nobel de Química en 1918.
Utilizando un catalizador a base de hierro, una presión muy alta y temperaturas de hasta 500 grados Celsius, el proceso Haber-Bosch une el nitrógeno del aire al hidrógeno, produciendo amoníaco. Por otra parte, algunas plantas también dominan el arte de unir el nitrógeno atmosférico con diminutas bacterias en sus raíces y ponerlo a su disposición para su crecimiento. Sin embargo, las plantas verdes lo hacen de forma climáticamente neutra, mientras que el ser humano aún no lo ha conseguido.
"El proceso Haber-Bosch consume mucha energía", explica el profesor Nikolay Kornienko, del Instituto de Química Inorgánica de la Universidad de Bonn. La producción de amoníaco se basa sobre todo en combustibles fósiles, por lo que las emisiones de gases de efecto invernadero son elevadas. "Para alcanzar el objetivo de una sociedad sostenible y climáticamente neutra, es prioritaria la búsqueda de procesos alternativos de síntesis del amoníaco", afirma Kornienko, que también es miembro del área de investigación transdisciplinar "Materia" de la Universidad de Bonn.
Abono nitrogenado a partir del sol y el viento
¿Métodos alternativos? Hace tiempo que se experimenta con ellos. El objetivo es sustituir la síntesis de amoníaco de Haber-Bosch por un proceso que utilice energía renovable procedente de fuentes como el sol y el viento. El hidrógeno necesario ya no procedería del gas metano, sino que se obtendría directamente de la división eléctrica del agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). ¿Suena sencillo? Pues no lo es. Quien quiera producir amoníaco a gran escala utilizando energía eólica y solar tiene que sortear una serie de escollos en las vías de reacción química.
"La reacción de reducción de nitrógeno mediada por litio (LiNRR) se considera la forma más sólida de electrificar la síntesis de amoníaco", afirma Hossein Bemana, autor principal del estudio. En este sistema, los iones de litio (Li+) se reducen electroquímicamente a una capa de metal de litio. A continuación, este metal de litio puede reaccionar con gas nitrógeno (N2) para formar un compuesto de litio-nitrógeno. Si se dispone de una fuente de hidrógeno, el compuesto de litio-nitrógeno se convierte en amoniaco (NH3) e iones de litio disueltos. A continuación, el proceso vuelve a empezar. Al menos, ésa es la teoría.
"En general, consideramos este sistema como un modelo por el momento, ya que existen varias dificultades prácticas", afirma Kornienko. Como se necesita un alto voltaje para reducir los iones de litio a litio metálico, la eficiencia energética está limitada a alrededor del 25 por ciento. Además, el sistema debe funcionar en un entorno sin aire ni agua, ya que el litio metálico es muy reactivo. Otro reto es que, al igual que en las baterías, sobre la capa de litio crece una interfase porosa de electrolito sólido (SEI). Esta capa debe permitir el paso del gas nitrógeno y el hidrógeno como reactivos del litio.
Se sacrifica lo que no se debe
Lo ideal sería que el hidrógeno procediera directamente de la división del agua. Sin embargo, en este sistema se suelen utilizar alcoholes como fuente de hidrógeno. En algunos casos, el disolvente también se descompone y luego sirve él mismo como fuente de hidrógeno. "Esto hace que el sistema sea poco práctico, ya que hay que sacrificar varias moléculas de alcohol o disolvente para producir amonio", afirma el químico.
Sin embargo, los investigadores han encontrado una forma de extraer hidrógeno directamente de la división del agua y transferirlo al nitrógeno. Utilizaron una lámina de paladio (Pd) como electrodo y como membrana. "El paladio puede servir de membrana porque permite el paso de átomos de hidrógeno", explica Kornienko. En el experimento, la lámina de Pd separó un entorno de reacción anhidro, en el que tienen lugar las reacciones del LiNRR, de un entorno de reacción acuoso. "Al final, pudimos extraer electroquímicamente átomos de hidrógeno directamente del agua y transferirlos al material reactivo de litio/litio-nitrógeno para producir amoníaco", explica el químico.
Los investigadores utilizaron espectroscopia de infrarrojos y espectrometría de masas para verificar que realmente funcionaba como estaba previsto. Utilizaron un isótopo pesado del hidrógeno (deuterio = D) como fuente de agua y produjeron ND3 en lugar de NH3. A la inversa, los investigadores etiquetaron todas las moléculas del compartimento LiNRR con D en lugar de H; como era de esperar, en este caso se produjo NH3 y no ND3 como antes.
Los investigadores presentan una solicitud de patente
Hossein Bemana y Nikolay Kornienko ya han presentado una solicitud de patente para este proceso. El equipo de investigadores utilizó únicamente electricidad en sus experimentos para producir amoníaco (NH3). Sin embargo, aún queda mucho camino por recorrer antes de que el deseado fertilizante nitrogenado pueda producirse de forma económica a partir de fuentes de energía renovables. Para lograrlo, los científicos tendrían que alcanzar un rendimiento 1.000 veces superior al de sus experimentos actuales. "Todavía estamos en las primeras fases", afirma el químico. "En general, hay que investigar las velocidades de reacción y la selectividad del sistema, es decir, el control de los electrones hacia el objetivo deseado".
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