Comparación de la actividad de síntesis de amoniaco (temperatura de reacción 260ºC, presión 9 atm). Crédito: Angewandte Chemie
Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) han descubierto que un catalizador de amida de calcio con una pequeña cantidad de bario añadido (Ba-Ca (NH 2 ) 2 ) con nanopartículas de rutenio inmovilizadas sobre él, pueden sintetizar amoniaco con una eficiencia 100 veces mayor que la de los catalizadores de rutenio convencionales a bajas temperaturas por debajo de los 300ºC. El rendimiento de este catalizador también es varias veces mayor en comparación con los catalizadores de hierro que se utilizan actualmente industrialmente.
El amoníaco es un ingrediente crudo de los fertilizantes nitrogenados y es clave para la producción de alimentos. Una molécula de amoníaco es un átomo de nitrógeno unido a tres átomos de hidrógeno. Como resultado, El amoníaco es una sustancia con un contenido de hidrógeno muy alto para su masa. Debido a que se convierte en líquido a temperatura ambiente a una presión de 10 atmósferas, también es un portador de energía para el hidrógeno, la fuente de energía para tecnologías como las pilas de combustible.
El proceso de Haber-Bosch, El actual método industrial de síntesis de amoníaco (establecido en 1913) utiliza un catalizador hecho principalmente de hierro y requiere altas temperaturas (400 a 500ºC) y altas presiones (100 a 300 atm). Para cumplir con estas condiciones, El amoniaco se produce en grandes cantidades. fábricas dedicadas y luego transportado a plantas donde se utiliza para procesos industriales. Durante mucho tiempo ha existido una demanda de producción in situ en la que se pueda sintetizar la cantidad requerida de amoníaco donde se requiera, a diferencia del proceso convencional a gran escala.
El grupo de investigación de Tokyo Tech del profesor Hideo Hosono, Profesor Michikazu Hara, El profesor asociado Masaaki Kitano y otros descubrieron un catalizador de síntesis de amoníaco que funciona con alta eficiencia a bajas temperaturas. Descubrieron que un catalizador de amida de calcio con una pequeña cantidad de bario añadido (Ba-Ca (NH 2 ) 2 ) con nanopartículas de rutenio inmovilizadas sobre él, exhibe una actividad catalítica 100 veces mayor que la de los catalizadores de rutenio convencionales a bajas temperaturas por debajo de 300ºC. Más lejos, el rendimiento catalítico de este catalizador también es varias veces mayor en comparación con los catalizadores de hierro que se utilizan industrialmente (Figura 1).
La estructura activa del catalizador desarrollado (Ru / Ba-ca (NH2) 2) Crédito: Angewandte Chemie
Se utiliza un complejo de acetilacetonato de rutenio como materia prima para el rutenio. Calentando un polvo mezclado con Ba-Ca (NH 2 ) 2 a 400ºC en atmósfera de hidrógeno, se forma una fina capa de bario sobre nanopartículas de rutenio de aproximadamente 3 nm de tamaño, ya que al mismo tiempo se forma amida de calcio porosa (Figura 2). La superficie de Ba-Ca (NH 2 ) 2 , la materia prima para el catalizador, mide solo unos 17 m 2 /gramo. Sin embargo, dado que el catalizador se vuelve poroso cuando se calienta a 400ºC en hidrógeno con la fuente de rutenio, el grupo encontró que el área de la superficie se expande a aproximadamente 100 m 2 /gramo. Más lejos, el constituyente de bario agregado a la amida de calcio se mueve a la superficie del catalizador durante este procesamiento térmico y forma una capa delgada al cubrir las nanopartículas de rutenio. El grupo descubrió que este es un catalizador único, con tales estructuras activas formándose de una manera autoorganizada y permaneciendo estables durante toda la reacción. El catalizador desarrollado en esta investigación exhibe la mayor actividad de síntesis de amoníaco a bajas temperaturas de cualquier catalizador sólido reportado en los últimos años.
El catalizador desarrollado en esta investigación supera con creces los límites de los materiales catalíticos existentes en su actividad de síntesis de amoníaco y contribuirá significativamente a reducir la energía utilizada para el proceso de síntesis de amoníaco. Debido a esto, Se espera que un mayor desarrollo de esta tecnología conduzca a una nueva estructura de proceso para la síntesis in situ de amoníaco.
