La búsqueda de un método de producción de amoniaco para fertilizantes más eficiente energéticamente y respetuoso con el medio ambiente ha llevado al descubrimiento de un nuevo tipo de reacción catalítica.

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron picos de carbono a nanoescala para catalizar una reacción que genera amoníaco a partir de nitrógeno y agua. ayudado por sal de litio y la aplicación de un campo eléctrico. El estudio, publicado en Avances de la ciencia , revela un tipo de catalizador que se ha sugerido teóricamente pero nunca se demostró.

"Es un catalizador que opera completamente basado en el campo eléctrico; esto nunca se ha observado para el nitrógeno, "dijo Adam Rondinone de ORNL, el autor principal del estudio. "Lo llamamos catalizador físico, normalmente un catalizador es químico".

Amoníaco, un compuesto formado por un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno, se produce típicamente a través del enfoque de Haber-Bosch que consume mucha energía. Este proceso utiliza alta temperatura y presión para dividir los enlaces estables del nitrógeno molecular, requiriendo grandes cantidades de gas natural. La producción industrial de amoníaco consume aproximadamente el 3 por ciento de la energía mundial y genera del 3 al 5 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero del mundo.

"La producción de amoníaco es un gran problema que debemos encontrar formas de abordar, ", Dijo Rondinone." En la búsqueda de este objetivo, hemos descubierto un mecanismo de reacción que nos da una nueva vía ".

A diferencia de Haber-Bosch, el proceso del equipo ocurre a temperatura ambiente en una solución de agua, gas nitrógeno disuelto y sal de perclorato de litio, con la ayuda de un catalizador único en forma de picos de carbono a nanoescala. Estos picos solo 50-80 nanómetros de largo y un nanómetro de ancho en la punta, actúan como puntos calientes para amplificar el campo eléctrico y atraer iones de litio cargados positivamente. Se hipotetiza que el litio arrastra moléculas de nitrógeno, que se concentran alrededor de los picos de carbono electrificado y comienzan a reaccionar para formar amoníaco.

"Todo catalizador normal funciona formando un enlace químico entre la molécula reactiva y la superficie del catalizador. En este caso, no es necesario un enlace químico. Es simplemente el alto campo eléctrico lo que permite que prosiga la reacción, "Dijo Rondinone.

El bajo rendimiento de la reacción, alrededor del 12 por ciento, limita su viabilidad para uso industrial, pero el descubrimiento de su electroquímica única puede ayudar a desarrollar enfoques alternativos para la generación de amoníaco.

Los investigadores también utilizaron modelos y simulación computacionales para comprender sus resultados experimentales. Calcularon predicciones teóricas del campo eléctrico, el enriquecimiento de iones alrededor de los picos de carbono y las energías orbitales moleculares del nitrógeno para describir cómo se desestabilizaron las moléculas en el campo eléctrico.

"Debido a las afiladas puntas de las nanopúas, el campo eléctrico local es realmente muy fuerte, del orden de 10 voltios por nanómetro, ", dijo el teórico de ORNL Jingsong Huang." Realizamos cálculos para estudiar el potencial de ionización y la afinidad electrónica del nitrógeno bajo campos eléctricos aplicados, y esos cálculos sugieren que, de lo contrario, el nitrógeno inerte se vuelve reactivo ".

El estudio se publica como "Un catalizador físico para la electrólisis de nitrógeno a amoníaco".

Los coautores son Yang Song de ORNL, Daniel Johnson, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Jingsong Huang, Arthur Baddorf, Timothy Tschaplinski, Nancy Engle, Zili Wu, David Cullen, Harry Meyer III, Bobby Sumpter y Adam Rondinone, Fengchang Yang de Virginia Tech, Fei Zhang y Rui Qiao, y Marta Hatzell de Georgia Tech.