La solución a un misterio de los materiales de 75 años podría algún día permitir a los agricultores de los países en desarrollo producir su propio fertilizante a pedido. utilizando luz solar y nitrógeno del aire.

Gracias a una fuente de rayos X especializada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han confirmado la existencia de una interacción hipotética entre el nitrógeno y el dióxido de titanio (TiO ₂ ), un material fotoactivo común también conocido como titania, en presencia de luz. Se cree que la reacción catalítica usa átomos de carbono que se encuentran como contaminantes en la titania.

Si la reacción de fijación de nitrógeno se puede ampliar, Algún día podría ayudar a impulsar la producción limpia de fertilizantes a escala agrícola que podría reducir la dependencia de instalaciones de producción centralizadas intensivas en capital y costosos sistemas de distribución que elevan los costos para los agricultores en áreas aisladas del mundo. La mayor parte del fertilizante del mundo se elabora ahora con amoníaco producido por el proceso Haber-Bosch, que requiere grandes cantidades de gas natural.

"En los Estados Unidos, contamos con un excelente sistema de producción y distribución de fertilizantes. Sin embargo, muchos países no pueden permitirse construir plantas Haber-Bosch, y es posible que ni siquiera cuenten con una infraestructura de transporte adecuada para importar fertilizantes. Para estas regiones, La fijación fotocatalítica de nitrógeno podría ser útil para la producción de fertilizantes a demanda. "dijo Marta Hatzell, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech. "Por último, este podría ser un proceso de bajo costo que podría hacer que los nutrientes basados ​​en fertilizantes estén disponibles para una gama más amplia de agricultores ".

Hatzell y su colaborador Andrew Medford, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech, están trabajando con científicos del Centro Internacional de Desarrollo de Fertilizantes (IFDC) para estudiar los impactos potenciales del proceso de reacción. La investigación se informó el 29 de octubre en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

La investigación comenzó hace más de dos años cuando Hatzell y Medford comenzaron a colaborar en un misterio de materiales que se originó con un artículo de 1941 publicado por Seshacharyulu Dhar, un científico del suelo indio que informó haber observado un aumento en el amoníaco emitido por el compost sometido a la luz. Dhar sugirió que una reacción fotocatalítica con minerales en el compost podría ser responsable del amoníaco.

Desde ese papel, otros investigadores han informado de la fijación de nitrógeno en la producción de titania y amoníaco, pero los resultados no se han confirmado de manera consistente de manera experimental.

Medford, un teórico, trabajó con el asistente de investigación graduado Benjamin Comer para modelar las vías químicas que serían necesarias para fijar nitrógeno en titania para crear potencialmente amoníaco mediante reacciones adicionales. Los cálculos sugirieron que el proceso propuesto era muy poco probable en titania pura, y los investigadores no consiguieron una subvención que se habían propuesto utilizar para estudiar el misterioso proceso. Sin embargo, se les otorgó tiempo experimental en la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. lo que les permitió probar finalmente un componente clave de la hipótesis.

El equipo especializado en el laboratorio permitió a Hatzell y al estudiante graduado Yu-Hsuan Liu usar espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) para examinar la superficie de titania como nitrógeno, el agua y el oxígeno interactuaban con las superficies bajo una presión casi ambiental en la oscuridad y en la luz. En primer lugar, los investigadores no vieron ninguna fijación fotoquímica de nitrógeno, pero a medida que continuaron los experimentos, observaron una interacción única entre el nitrógeno y la titania cuando la luz se dirigía a la superficie de los minerales.

¿Qué explica la falta inicial de resultados? Hatzell y Medford creen que la contaminación de la superficie con carbono, probablemente de un hidrocarburo, es una parte necesaria del proceso catalítico para la reducción de nitrógeno en la titania. "Antes de la prueba, las muestras se limpian para eliminar casi todos los rastros de carbono de la superficie, sin embargo, durante los experimentos, el carbono de diversas fuentes (gases y la cámara de vacío) puede introducir una cantidad mínima de carbono en la muestra, "Hatzell explicó." Lo que observamos fue que sólo se detectaron especies reducidas de nitrógeno si había cierto grado de carbono en la muestra ".

La hipótesis de la contaminación por hidrocarburos explicaría por qué investigaciones anteriores habían proporcionado resultados inconsistentes. El carbono siempre está presente en niveles traza en titania, pero obtener la cantidad y el tipo correctos puede ser clave para que la reacción hipotetizada funcione.

"Creemos que esto explica los desconcertantes resultados que se han informado en la literatura, y esperamos que brinde información sobre cómo diseñar nuevos catalizadores utilizando este misterio de 75 años, ", Dijo Medford." A menudo, los mejores catalizadores son materiales que son muy prístinos y fabricados en una sala limpia. Aquí tienes todo lo contrario:esta reacción realmente necesita las impurezas, lo que podría ser beneficioso para aplicaciones sostenibles en la agricultura ".

Los investigadores esperan confirmar experimentalmente el papel del carbono con las próximas pruebas en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL). lo que les permitirá sondear directamente el carbono durante el proceso de fijación de nitrógeno fotocatalítico. También esperan aprender más sobre el mecanismo catalítico para poder controlar mejor la reacción y mejorar la eficiencia. que actualmente es menos del uno por ciento.

La investigación publicada en la revista no midió el amoníaco, pero Hatzell y sus alumnos lo han detectado desde entonces en pruebas a escala de laboratorio. Debido a que el amoníaco se produce actualmente a niveles tan bajos, los investigadores tuvieron que tomar precauciones para evitar la contaminación a base de amoníaco. "Incluso la cinta que se usa en el equipo puede crear pequeñas cantidades de amoníaco que pueden afectar las mediciones, "Añadió Medford.

Aunque las cantidades de amoníaco producidas por la reacción son bajas actualmente, Hatzell y Medford creen que con mejoras en los procesos, las ventajas de la producción de fertilizantes in situ en condiciones benignas podrían superar esa limitación.

"Si bien esto puede parecer ridículo desde una perspectiva práctica al principio, si realmente observa las necesidades del problema y el hecho de que la luz solar y el nitrógeno del aire son gratuitos, en función de los costos, comienza a parecer más interesante, ", Dijo Medford." Si pudiera operar una instalación de producción de amoníaco a pequeña escala con suficiente capacidad para una granja, inmediatamente ha hecho una diferencia ".

Hatzell le da crédito a la ciencia de superficies de vanguardia por proporcionar finalmente una explicación al misterio.

"Dado que los investigadores anteriores analizaron esto, se han realizado avances significativos en el área de la medición y la ciencia de superficies, ", dijo." La mayoría de las mediciones científicas de superficie requieren el uso de condiciones de vacío ultra alto que no imitan el entorno catalítico que se pretende investigar. La presión ambiental cercana al XPS en el laboratorio nacional Lawrence Berkeley, nos permitió dar un paso más hacia la observación de esta reacción en su entorno nativo ".