Amoníaco, un compuesto sintetizado por primera vez hace aproximadamente un siglo, tiene docenas de usos modernos y se ha vuelto esencial en la fabricación del fertilizante que ahora sustenta la mayor parte de nuestra producción mundial de alimentos.

Pero aunque producimos amoníaco a gran escala desde la década de 1930, Se ha logrado principalmente en enormes plantas químicas que requieren grandes cantidades de gas hidrógeno de combustibles fósiles, lo que convierte al amoníaco en uno de los productos químicos de mayor volumen que consumen más energía.

Un par de investigadores de la Universidad Case Western Reserve, uno de ellos experto en síntesis electroquímica, el otro en aplicaciones de plasmas, estamos trabajando para arreglar eso.

Los investigadores Julie Renner y Mohan Sankaran han ideado una nueva forma de crear amoníaco a partir de nitrógeno y agua a baja temperatura y baja presión. Lo han hecho con éxito hasta ahora en un laboratorio sin utilizar hidrógeno o el catalizador de metal sólido necesario en los procesos tradicionales.

"Nuestro enfoque, un proceso electrolítico con plasma, es completamente nuevo, "dijo Mohan Sankaran, el profesor Goodrich de innovación en ingeniería en la Case School of Engineering.

Plasmas, a menudo referido como el cuarto estado de la materia (aparte del sólido, líquido o gas), son nubes ionizadas de gas, que consta de iones positivos y electrones libres, que le dan la capacidad única de activar enlaces químicos, incluyendo la molécula de nitrógeno bastante desafiante, a temperatura ambiente.

Renner, un profesor asistente de Climo en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, agregó que debido a que este nuevo proceso no necesita alta presión o alta temperatura o hidrógeno, lo hace escalable:"el tipo de tecnología ideal para una planta mucho más pequeña, uno con un alto potencial para funcionar con energía renovable ".

Los resultados de su colaboración de dos años se publicaron este mes en la revista Avances de la ciencia .

Lección de historia:el proceso Haber-Bosch

Prácticamente todo el amoníaco comercial está hecho de nitrógeno e hidrógeno, utilizando un catalizador de hierro a alta temperatura y presión.

El químico físico alemán Fritz Haber recibió el Premio Nobel de Química en 1918 por desarrollar este proceso. lo que hizo que la fabricación de amoníaco fuera económicamente viable.

Pero el proceso se volvió más rentable económicamente cuando el químico industrial Carl Bosch (quien también ganó un Premio Nobel en 1931) introdujo el método en un sistema a gran escala. El proceso fue impulsado aún más por una segunda innovación:el desarrollo del reformado de metano con vapor que hizo que el hidrógeno fuera más accesible y menos costoso.

Entonces, lo que se conoció como el proceso Haber-Bosch se convirtió en el método global de referencia para fijar nitrógeno e hidrógeno para producir amoníaco.

Pero Haber-Bosch nunca fue el único enfoque para la fijación de nitrógeno, fue solo el ganador del cambio de siglo.

Un nuevo el viejo método se eleva

Renner y Sankaran han resucitado un elemento de un método noruego poco conocido que es anterior a Haber-Bosch (el proceso Birkeland-Eyde) que reaccionaba con nitrógeno y oxígeno para producir nitratos. otro químico que se puede utilizar en agricultura. Ese proceso perdió ante Haber-Bosch principalmente porque requería aún más energía en forma de electricidad, un recurso limitado a principios del siglo XX.

"Nuestro enfoque es similar a la síntesis electrolítica de amoníaco, que ha ganado interés como alternativa a Haber-Bosch porque se puede integrar con energías renovables, "Dijo Sankaran." Sin embargo, como el proceso Birkeland-Eyde, usamos un plasma, que consume mucha energía. La electricidad sigue siendo una barrera pero menos ahora, y con el aumento de las renovables, puede que no sea una barrera en absoluto en el futuro.

"Y quizás lo más significativo, nuestro proceso no produce gas hidrógeno, ", dijo." Este ha sido el principal cuello de botella de otros enfoques electrolíticos para formar amoníaco a partir de agua (y nitrógeno), la formación indeseable de hidrógeno ".

El proceso Renner-Sankaran tampoco utiliza un catalizador de metal sólido que podría ser una de las razones por las que se obtiene amoníaco en lugar de hidrógeno.

"En nuestro sistema, el amoníaco se forma en la interfaz de un plasma gaseoso y la superficie del agua líquida y se forma libremente en solución, "Dijo Sankaran.

Hasta aquí, los "lotes de mesa" de amoníaco producidos por el dúo han sido muy pequeños y la eficiencia energética es aún menor que la de Haber-Bosch. Pero con la optimización continua, su descubrimiento y desarrollo de un nuevo proceso podría llevar algún día a plantas de amoniaco más localizadas que utilizan energía verde.