¿Cómo puede un fotocatalizador convertir nitrógeno en amoníaco usando agua y luz? Con colaboración internacional, Investigadores de China y Singapur han estudiado la ingeniería de vanguardia de fotocatalizadores para la fijación de nitrógeno (N2) con el fin de comprender la síntesis de amoníaco (NH3). El trabajo ha sido reportado en Materiales Horizontes .

El N2 es uno de los gases más abundantes de la Tierra, que comprende el 78 por ciento de la atmósfera. Sin embargo, La mayoría de los organismos no pueden utilizar eficazmente el N2 en estado gaseoso. Por lo tanto, El N2 debe "fijarse" para que sea útil rompiendo los triples enlaces N≡N ultrafuertes para transformarlo en una forma que pueda ser consumida por las plantas. animales y seres humanos. Hasta la fecha, hay dos métodos típicos para realizar la fijación de N2. Uno es un proceso natural y bacteriano, y otro, el proceso Haber-Bosch, es sintético. Durante los últimos 100 años, la conversión de N2 ha llevado a la producción a gran escala de fertilizantes y ha sostenido el suministro de alimentos para la población mundial.

"El proceso Haber-Bosch utiliza altas temperaturas y presiones, por lo tanto, se necesita una cantidad masiva (alrededor del 2 por ciento) del suministro mundial de combustibles fósiles. Por lo tanto, imaginamos que un proceso alternativo que emplee nanomateriales que absorban energía luminosa para imitar la fotosíntesis natural en las plantas podría servir como un cambio de paradigma para la fijación de nitrógeno, "dijo el Dr. Wee-Jun Ong, un científico investigador del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE).

"En comparación con el proceso catalítico termoquímico, La fotosíntesis artificial se considera una ruta sostenible para almacenar energía solar renovable en forma de productos químicos densos en energía. "Ong dijo." La reacción termodinámica no espontánea se puede lograr mediante una combinación de separación de agua y reducción de N2 sobre un fotocatalizador en presencia de luz solar, " él explicó.

En un artículo reciente que aparece en Materiales Horizontes , Ong y sus colegas presentan un informe de progreso de la fijación fotocatalítica de N2, que es provocado naturalmente por la acción de microbios. "Clasificamos los fotocatalizadores en función de las composiciones químicas que van desde el óxido metálico al sulfuro metálico, oxihaluros de bismuto, nanomateriales carbonosos y otros materiales potenciales. Destacamos la importancia y la relación entre la modificación, por ejemplo. diseño de nanoarquitectura, ingeniería de facetas de cristal, dopaje y heteroestructuración, e influencias en la actividad fotocatalítica de los catalizadores diseñados, "señala Xingzhu Chen, el primer autor del artículo, quien resume los hallazgos.

"A juzgar por la literatura existente en esta plataforma de investigación en este momento, Los catalizadores asistidos por computadora diseñados a través de cálculos químicos cuánticos para la fotofijación de N2 serían una herramienta robusta para simular estados electrónicos y vías de reacción hacia una excelente absorción de la luz solar y el rendimiento selectivo de la catálisis. "Dijo Ong.

Aunque existen muchos factores que dificultan la escisión e hidrogenación del N2 en la actualidad, las condiciones de reacción se han vuelto más suaves a lo largo de los años:el aire y la luz visible se adoptaron gradualmente como fuente de nitrógeno y luz en lugar de nitrógeno puro y radiación ultravioleta (UV). Sin embargo, los conocimientos sobre el mecanismo de reacción fotocatalítica han sido inadecuados hasta ahora, a pesar de la complejidad de la reacción de fijación de N2. "Se necesitan técnicas avanzadas de caracterización in situ u operando para examinar los conocimientos atómicos sobre la reactividad, así como para comprender la dinámica del portador de carga en estado excitado," "Dijo Ong.

¿Que sigue? Los investigadores esperan traducir del nivel de escala de laboratorio a aplicaciones industriales, y amplificar el rendimiento de catalizadores manteniendo las estructuras intrínsecas para la comercialización de amoniaco renovable.

El Dr. Ong dijo:"Mirando las perspectivas a largo plazo, estamos seguros de que nuestro trabajo proporcionará una base importante para la próxima era de investigación, no solo en la fijación fotocatalítica de N2 específicamente, sino también en los campos interdisciplinarios de la química, ciencia de los Materiales, conversión y almacenamiento de energía ".

Aparte de la fijación de N2 impulsada por energía solar, Dr. Ong, El profesor Li y sus equipos han estado buscando el diseño inteligente de fotocatalizadores que puedan hacer que la división de H2O y la reducción de CO2 sean más efectivas y sostenibles a través de la energía solar a través de análisis experimentales y computacionales. Se está trabajando en la conversión de combustibles solares en energía.