Steven McIntosh quiere transformar la forma en que se produce el amoníaco. Espera crear una alternativa viable al método convencional, que utiliza cantidades masivas de energía y emite dióxido de carbono nocivo. Está explorando un método electroquímico sostenible para impulsar de manera eficiente la reacción química que produce amoníaco.
El amoníaco es un gas incoloro formado por un nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. Al Proceso Haber-Bosch, creado por los químicos alemanes Fritz Haber y Carl Bosch a principios del siglo XX, se le atribuye el mérito de hacer posible la producción masiva de alimentos. ya que el principal uso industrial del amoníaco es en la agricultura como fertilizante.
El proceso de Haber, como es ampliamente conocido, combina nitrógeno del aire con hidrógeno derivado del gas natural, compuesto principalmente de metano, en una reacción química que opera a muy alta presión. En este método convencional, planchar, el catalizador utilizado, "rompe" fácilmente los átomos de hidrógeno. Sin embargo, se requiere una gran cantidad de presión para "empujar" el nitrógeno sobre el catalizador para estimular la reacción. Además, El proceso de generación de hidrógeno a partir de metano emite grandes cantidades de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, a la atmósfera.
La fabricación de amoniaco consume del 1 al 2% de la energía global total y es responsable de aproximadamente el 3% de las emisiones globales de dióxido de carbono.
Teniendo en cuenta la necesidad de aumentar la producción de alimentos como resultado del crecimiento de la población (se agregarán 2 mil millones de personas al planeta para 2050), es evidente que se debe crear un método sostenible de producción de amoníaco.
McIntosh lo expresa de manera más sucinta:"El proceso de producción de amoníaco es fundamental para la supervivencia humana, no ha cambiado en más de cien años y es un gran contaminador. Es tiempo de un cambio."
McIntosh, profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Lehigh, está explorando un método de producción de amoníaco que podría impulsar tal cambio mediante el uso de electricidad para impulsar la reacción química. Su método eliminaría la necesidad de usar alta presión para romper los enlaces de nitrógeno. Y, porque deriva hidrógeno del agua en lugar de gas natural, no habría emisiones de dióxido de carbono. Su principal subproducto sería el oxígeno.
McIntosh recibió recientemente una subvención de investigación colaborativa de tres años de la National Science Foundation (NSF) para apoyar esta investigación. McIntosh dirigirá el equipo de Lehigh como investigador principal en estrecha colaboración con un equipo de la Universidad de Pensilvania. Profesores Raymond J. Gorte, John M. Vohs y Aleksandra Vojvodic.
En un cambio de paradigma transformador, McIntosh y sus colegas investigarán un método para producir amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno utilizando un protón conductor, cerámico, celda electroquímica de óxido sólido. Su hipótesis central es que la presión atmosférica, La síntesis de amoníaco se puede realizar impulsando electroquímicamente hidrógeno sobre superficies catalíticas que normalmente están limitadas por una alta cobertura de nitruro.
"Planeamos experimentar con diferentes catalizadores, como el tungsteno, que normalmente estaría cubierto de nitrógeno, alterar el equilibrio de hidrógeno y nitrógeno que se requiere para que tenga lugar la reacción, ", dice McIntosh." Resolveremos este desequilibrio aplicando un potencial electroquímico para impulsar el hidrógeno a la superficie del catalizador y formar amoníaco ".
El proyecto aprovechará los métodos de infiltración desarrollados previamente para la síntesis de electrodos en pilas de combustible de óxido sólido, lo que permite utilizar una amplia gama de materiales para los electrodos. El equipo también explorará conductores electrónicos-protónicos mixtos que se pueden agregar al electrodo para mejorar el límite trifásico donde puede ocurrir la reacción electroquímica. La elección de los electrocatalizadores se guiará por estudios teóricos complementarios.
McIntosh describe el método propuesto como la adición de una "perilla adicional" —electricidad— al proceso de producción de amoníaco.
"En este método, el hidrógeno vendrá del agua, lo que lo convertirá en una especie de 'celda de combustible inversa, 'dice McIntosh.
Una celda de combustible combina hidrógeno y oxígeno para producir agua y, en el proceso, genera electricidad. El reactor propuesto utilizará electricidad para dividir el agua a fin de proporcionar el hidrógeno necesario en la síntesis de amoníaco. eliminando la necesidad de consumir gas natural y emitir dióxido de carbono. Este proyecto dará como resultado células de demostración a pequeña escala que separan los átomos de hidrógeno y oxígeno que componen el agua. utilizando el hidrógeno y emitiendo el oxígeno.
Según McIntosh, Los investigadores han probado métodos de producción de amoníaco similares, pero pudieron producir muy poco amoníaco. Cuando se trata de amoniaco, la capacidad de producirlo a escala industrial es lo que importa.
Es por eso que uno de los principales objetivos del proyecto es producir una tasa razonable de producción de amoníaco. Otro objetivo es demostrar lo que dice McIntosh es la "modularidad" potencial de esta técnica.
Por último, Esta nueva forma de producir amoníaco podría ser parte de un esfuerzo mayor para hacer que la producción de alimentos sea más ecológica y sostenible.
"La producción de amoníaco mediante el método convencional requiere una enorme fuente de energía, lo que significa que debe fabricarse en un solo lugar y luego enviarse, lo que aumenta la ineficiencia del método. ", dice McIntosh." La esperanza es que algún día se pueda producir amoníaco en el sitio utilizando una celda modular como la que estamos explorando, alimentado por una fuente de electricidad local, como paneles solares o turbinas eólicas ".
