Un paso adelante en la producción de amoníaco mediante energía solar
Los catalizadores MOF que contienen hierro permiten la síntesis de amoníaco sin las condiciones extremas del proceso Haber-Bosch.
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Luz solar, agua, aire y catalizadores metalorgánicos: eso podría ser todo lo que se necesita. La Universidad Técnica de Viena ha demostrado cómo se puede mejorar el diseño de los catalizadores para la síntesis de NH₃ impulsada por energía solar.
Sin esta tecnología química, alimentar al mundo tal y como lo conocemos sería casi imposible. El proceso Haber-Bosch, desarrollado hace más de un siglo, convierte el nitrógeno del aire en amoníaco, el ingrediente clave de la mayoría de los fertilizantes sintéticos. Hoy en día, aproximadamente la mitad de la producción mundial de alimentos depende de fertilizantes derivados del amoníaco, lo que convierte al proceso Haber-Bosch en una de las innovaciones industriales más importantes de la historia de la humanidad.
A pesar de sus enormes beneficios, el proceso Haber-Bosch conlleva un coste medioambiental significativo. La energía necesaria para producir amoníaco representa aproximadamente el 1,2 % de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, lo que motiva a investigadores de todo el mundo a buscar métodos de producción más limpios y sostenibles. Utilizando estructuras metalorgánicas (MOF) como catalizadores, los científicos desarrollaron una vía alternativa y sostenible para la síntesis de amoníaco. Investigadores de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) han demostrado ahora que las estructuras MOF pueden ajustarse específicamente para modular su rendimiento catalítico, lo que proporciona información valiosa para el diseño de tecnologías de producción de amoníaco más eficientes y sostenibles.
El proyecto de investigación se llevó a cabo en colaboración con equipos internacionales: los datos de medición más importantes procedían de Virginia Tech, en Estados Unidos, mientras que las simulaciones por ordenador se realizaron en el Technion – Instituto Tecnológico de Israel.
Uno de los enlaces más fuertes de la química
«Tenemos que romper uno de los enlaces más fuertes de la química», afirma Jana Bischoff, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena y autora principal del estudio actual. En el aire, el nitrógeno existe en forma de moléculas de N₂, en las que dos átomos de nitrógeno están unidos por un enlace triple extremadamente estable. Para producir amoníaco (NH₃), esta molécula de N₂ debe activarse primero, lo que permite que los átomos de nitrógeno reaccionen con el hidrógeno.
En el proceso Haber-Bosch, que se utiliza desde hace más de 100 años, esto se consigue con presiones superiores a 150 bar y temperaturas de al menos 400 °C. Estas condiciones extremas hacen que el proceso consuma una gran cantidad de energía.
La naturaleza lo hace de forma más suave
En principio, las moléculas de nitrógeno pueden transformarse de otra manera: no mediante presiones y temperaturas extremas, sino con la ayuda de catalizadores cuidadosamente diseñados. La naturaleza nos sirve de inspiración: ciertas bacterias utilizan la enzima nitrogenasa, que contiene hierro y puede unir moléculas de nitrógeno y transformarlas en condiciones suaves.
Se puede lograr algo similar con las estructuras metalorgánicas, o MOF. Se trata de materiales porosos en los que los iones metálicos se unen a compuestos orgánicos específicos para formar una estructura más grande. «Al igual que en la nitrogenasa natural, también utilizamos hierro en nuestras estructuras metalorgánicas, un metal relativamente barato y fácilmente disponible», afirma la Dra. Cornelia Baeckmann, de la Universidad Técnica de Viena. «La pregunta clave de nuestra investigación era: ¿cómo podemos adaptar los ligandos orgánicos para que el material sea capaz de producir amoníaco?».
«Cuando un esqueleto metalorgánico absorbe luz, genera un estado excitado en el que se redistribuye la carga eléctrica, especialmente hacia los centros de hierro», explica el profesor Dominik Eder (TU Wien): «Los enlaces orgánicos circundantes modulan las propiedades del MOF y, por lo tanto, su rendimiento catalítico. «De este modo, influyen en la cinética de transferencia de electrones, la fuerza de unión del nitrógeno y la accesibilidad de los protones del agua circundante para llegar al sitio activo.
Una vez que una molécula de nitrógeno se une a un sitio de hierro adecuado, su triple enlace extremadamente estable se debilita y se vuelve más reactiva. La molécula puede entonces convertirse gradualmente en amoníaco mediante sucesivas transferencias de electrones y protones.
Un paso importante hacia nuevas tecnologías
«Demostramos que pequeños cambios en los ligandos orgánicos pueden alterar considerablemente la actividad catalítica», afirma Jana Bischoff. «Investigamos una serie de estructuras metalorgánicas que contienen diferentes ligandos orgánicos con el fin de comprender cómo se puede ajustar la actividad de producción de amoníaco».
El presente trabajo aún no supone el pistoletazo de salida para la producción industrial de amoníaco, pero es un paso importante en esa dirección. Las estructuras metalorgánicas (MOF) abren nuevas y prometedoras vías hacia el diseño de catalizadores a medida para procesos energéticamente exigentes y de importancia global, como la síntesis de amoníaco.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Jana Bischoff, Cornelia von Baeckmann, Shaghayegh Naghdi, Adrian Ertl, Vasily Vorobyev, Anastasiia Naryshkina, Lakhanlal, Hanspeter Kählig, Laura Kronlachner, Robert T. Woodward, Freddy Kleitz, Andreas Limbeck, Maytal Caspary Toroker, Amanda J. Morris, Dominik Eder; "Photocatalytic Ammonia Synthesis using Fe-Based MOFs: The Role of Ligand Functionalization"; Journal of the American Chemical Society, Volume 148, 2026-5-19
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