El amoníaco se usa comúnmente en fertilizantes porque tiene el mayor contenido de nitrógeno de cualquier fertilizante comercial, lo que lo hace esencial para la producción de cultivos. Sin embargo, por cada molécula de amoníaco producida, se forman dos moléculas de dióxido de carbono, lo que contribuye a un exceso de dióxido de carbono en la atmósfera.

Un equipo del Departamento de Ingeniería Química Artie McFerrin de la Universidad Texas A&M, integrado por el Dr. Abdoulaye Djire, profesor asistente y estudiante de doctorado Denis Johnson, ha avanzado en un método para producir amoníaco a través de procesos electroquímicos que ayuda a reducir las emisiones de carbono. Esta investigación pretende sustituir el proceso termoquímico Haber-Bosch por un proceso electroquímico más sostenible y seguro para el medio ambiente.

Los investigadores publicaron recientemente sus resultados en Informes científicos.

El proceso Haber-Bosch se ha utilizado para producir amoníaco desde principios del siglo XX. Este proceso funciona haciendo reaccionar el nitrógeno atmosférico con gas hidrógeno. Una desventaja del proceso Haber-Bosch es que requiere alta presión y temperatura y deja una gran huella de energía. El proceso también requiere hidrógeno como materia prima, que se obtiene a partir de recursos no renovables. Es insostenible y tiene un impacto negativo en el medio ambiente, acelerando la necesidad de procesos nuevos y amigables con el medio ambiente.

Los investigadores han propuesto utilizar la reacción electroquímica de reducción de nitrógeno (NRR) para producir amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico y el agua. Las ventajas de usar un proceso electroquímico incluyen el uso de agua para proporcionar protones y la capacidad de generar amoníaco a temperatura y presión ambiente. Este proceso requeriría potencialmente menos energía y sería más barato y más respetuoso con el medio ambiente que el proceso Haber-Bosch.

El NRR funciona con un electrocatalizador. Para que este proceso tenga éxito, el nitrógeno debe unirse a la superficie y romperse para producir amoníaco. En este estudio, los investigadores utilizaron MXene, un nitruro de titanio, como electrocatalizador. Lo que distingue a este catalizador de otros es que el nitrógeno ya está presente en su estructura, lo que permite una formulación de amoníaco más eficiente.

«Es más fácil que se forme amoníaco porque los protones pueden adherirse al nitrógeno en la estructura, formar el amoníaco y luego el amoníaco sale de la estructura», dijo Johnson. «Se hace un agujero en la estructura que puede atraer el gas nitrógeno y romper el triple enlace».

Los investigadores encontraron que el uso de nitruro de titanio induce un mecanismo Mars-van Krevelen, un mecanismo popular para la oxidación de hidrocarburos. Este mecanismo sigue una ruta de menor energía que permitiría mayores tasas de producción de amoníaco y selectividad debido al nitrógeno del catalizador de nitruro de titanio.

Sin modificaciones en los materiales, los investigadores lograron una selectividad del 20 %, que corresponde a la relación entre el producto deseado formado y el producto no deseado formado. Su método, con modificaciones, podría potencialmente lograr un mayor porcentaje de selectividad y abrir una nueva ruta para la producción de amoníaco a través de procesos electroquímicos.

«El Departamento de Energía ha establecido un objetivo de selectividad del 60%, que es un número difícil de lograr», dijo Johnson. “Pudimos obtener un 20 % con nuestro material y mostrar un método que posiblemente podamos usar para seguir adelante. Si mejoramos nuestro material, ¿podremos llegar pronto al 60%? Esa es la pregunta en la que vamos a seguir trabajando para responder».

Esta investigación podría potencialmente reducir la huella de carbono y el consumo global de energía a mayor escala.

«En el futuro, esto podría ser una gran reforma científica», dijo Djire. “Aproximadamente el 2% de la energía total del mundo se utiliza para la producción de amoníaco. Reducir este enorme número reduciría drásticamente nuestra huella de carbono y el uso de energía”.

Este estudio fue financiado por el Startup Research Fund. Otros colaboradores de la publicación incluyen a Eric Kelley del departamento de ingeniería química de Texas A&M, Brock Hunter de la Universidad de Auburn y Jevaun Christie y Cullan King de la Universidad Prairie View A&M.

fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad Texas A & M. Escrito originalmente por Michelle Revels. Nota: El contenido se puede editar por estilo y longitud.

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