Los ingenieros de la Universidad de Illinois en Chicago han creado una reacción electroquímica alimentada por energía solar que no solo usa aguas residuales para producir amoníaco, el segundo químico más producido en el mundo, sino que también logra una eficiencia de energía solar a combustible que es 10 veces mejor que cualquier otra tecnología comparable.

Sus hallazgos se publican en Ciencias de la energía y el medio ambiente , una revista de primer nivel para la investigación en la intersección de la entrega de energía y la protección ambiental.

"Esta tecnología y nuestro método tienen un gran potencial para permitir la síntesis de fertilizantes bajo demanda y podrían tener un inmenso impacto en los sectores agrícola y energético de los países desarrollados y en desarrollo, y sobre los esfuerzos para reducir los gases de efecto invernadero de los combustibles fósiles, "dijo el investigador principal Meenesh Singh, profesor asistente de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de la UIC.

Amoníaco, una combinación de un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno, es un compuesto clave de fertilizantes y muchos productos manufacturados, como plásticos y productos farmacéuticos. Los métodos actuales para producir amoníaco a partir de nitrógeno requieren enormes cantidades de calor, generado por la quema de combustibles fósiles, para romper los fuertes enlaces entre los átomos de nitrógeno para que puedan unirse al hidrógeno. Este proceso centenario produce una fracción sustancial de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, que son una fuerza impulsora del cambio climático.

Previamente, Singh y sus colegas desarrollaron un método ecológico para producir amoníaco mediante el filtrado de gas nitrógeno puro a través de un pantalla de malla recubierta de catalizador en una solución a base de agua. Esta reacción utilizó solo una pequeña cantidad de energía de combustible fósil para electrificar la pantalla, que rompe los átomos de nitrógeno, pero produjo más gas hidrógeno (80%) que amoniaco (20%).

Ahora, los investigadores han mejorado este concepto y han desarrollado un nuevo método que utiliza nitrato, uno de los contaminantes más comunes de las aguas subterráneas, para suministrar nitrógeno y luz solar para electrificar la reacción. El sistema produce casi el 100% de amoníaco con reacciones laterales de gas hidrógeno casi nulas. La reacción no necesita combustibles fósiles y no produce dióxido de carbono ni otros gases de efecto invernadero. y su uso de energía solar produce una eficiencia de energía solar a combustible sin precedentes, o STF, del 11%, que es 10 veces mejor que cualquier otro sistema de última generación para producir amoníaco (aproximadamente 1% STF).

El nuevo método depende de un catalizador de cobalto, que los investigadores describen junto con el nuevo proceso en su artículo, "Síntesis electroquímica de amoníaco impulsada por energía solar utilizando nitrato con un 11% de eficiencia solar a combustible en condiciones ambientales".

Para identificar el catalizador, Los investigadores primero aplicaron la teoría computacional para predecir qué metal funcionaría mejor. Después de identificar el cobalto a través de estos modelos, el equipo experimentó con el metal, probando diferentes formas de optimizar su actividad en la reacción. Los investigadores encontraron que una superficie rugosa de cobalto derivada de la oxidación funcionaba mejor para crear una reacción que era selectiva. lo que significa que convirtió casi todas las moléculas de nitrato en amoníaco.

"Encontrar un activo, selectivo, y un catalizador estable que funcionó en un sistema de energía solar es una prueba poderosa de que es posible la síntesis sostenible de amoníaco a escala industrial, "Dijo Singh.

No solo la reacción en sí es neutra en carbono, que es bueno para el medio ambiente, pero si el sistema está desarrollado para uso industrial, también puede tener un resultado casi neto negativo, Efecto reconstituyente sobre el medio ambiente.

"El uso de nitrato de aguas residuales significa que también tenemos que eliminar el contaminante de las aguas superficiales y subterráneas. Con el tiempo, esto significa que el proceso puede ayudar simultáneamente a corregir los desechos industriales y el agua de escorrentía y reequilibrar el ciclo del nitrógeno, particularmente en áreas rurales que pueden experimentar desventajas económicas o correr el mayor riesgo de una alta exposición al exceso de nitrato, "Dijo Singh.

La alta exposición al nitrato a través del agua potable se ha asociado con afecciones de salud como el cáncer, enfermedad de tiroides, parto prematuro, y bajo peso al nacer.

"Estamos todos muy emocionados con este logro, y no nos detenemos aquí. Tenemos la esperanza de que pronto tendremos un prototipo más grande con el que podamos probar a una escala mucho mayor, "dijo Singh, que ya colabora con corporaciones municipales, centros de tratamiento de aguas residuales, y otros en la industria para seguir desarrollando el sistema.

La Oficina de Gestión de Tecnología de la UIC ha presentado una patente para el nuevo proceso.

Los coautores del artículo son Nishithan Kani y Aditya Parajapati de UIC, Joseph Gauthier de la Universidad Tecnológica de Texas, Jane Edgington y Linsey Seitz de la Universidad Northwestern, Isha Bordawekar de Warren Township High School, Windom Shields y Mitchell Shields of Worldwide Liquid Sunshine, y Aayush Singh de Dow Inc.