Más de 100 años después de la introducción del proceso Haber-Bosch, Los científicos continúan buscando rutas alternativas de producción de amoníaco que requieran menos energía. Los científicos chinos han descubierto ahora que el fósforo negro es un excelente catalizador para la electrorreducción de nitrógeno a amoníaco. Según su estudio publicado en la revista Angewandte Chemie , Las nanohojas de fósforo negro en capas son un catalizador altamente selectivo y eficiente en este proceso.

El amoníaco es una materia prima esencial en todas las áreas industriales, desde la agricultura hasta la química fina y la industria farmacéutica. Durante más de un siglo, ha sido sintetizado industrialmente por el proceso de Haber-Bosch, en el que el nitrógeno del aire se reduce con hidrógeno o gas de síntesis a alta presión y temperatura sobre un catalizador de metal de transición. Sin embargo, la demanda de energía de este proceso es tan alta que del uno al dos por ciento del suministro energético mundial se dedica a la producción industrial de amoníaco.

Los investigadores buscan alternativas más suaves, que emplean catalizadores que operan en condiciones ambientales. Las alternativas sin metales son especialmente deseables. Un candidato muy interesante es el fósforo en su menor reactividad, forma no tóxica:fósforo negro. Este material es una estrella en ascenso en las aplicaciones electrónicas debido a su apariencia metálica y propiedades electrónicas inusuales. Es más, su estructura arrugada en forma de hoja bidimensional puede proporcionar los bordes y sitios necesarios para la adsorción y la activación molecular.

Con esta idea en mente, el investigador Haihui Wang de la Universidad de Tecnología del Sur de China, Guangzhou, Porcelana, y colegas, preparadas capas delgadas de fósforo negro a granel, "mediante un sencillo método de exfoliación líquida, "como se indica en su publicación. Las nanohojas de catalizador se incluyeron en un electrodo de fibra de carbono para la electrólisis. Para proporcionar un suministro de nitrógeno, una solución de hidrocloruro de electrolito se saturó con nitrógeno.

Al aplicar un voltaje, el electrodo produce amoniaco de forma rápida y selectiva a partir de nitrógeno, y el fósforo negro en capas incluso superó a "la mayoría de los catalizadores no metálicos y a base de metal reportados en la actualidad, ", añadieron los autores. La extraordinaria actividad y selectividad de este material se explica por la estructura y energética de las láminas de fósforo.

¿Qué tiene de especial el fósforo? Con cálculos teóricos, los autores encontraron que la disposición en zigzag en las capas de fósforo, a diferencia de otros materiales en capas o planos, proporcionó sitios ideales para la adsorción de nitrógeno y la estructura electrónica en los bordes era la más adecuada para la unión, activando, y reducir el nitrógeno por una vía de baja energía.

Habiendo explicado la extraordinaria actividad y selectividad del catalizador de fósforo negro en capas, los autores admitieron que, a pesar de la estabilidad generalmente buena del fósforo negro en condiciones ambientales, su rendimiento disminuyó a largo plazo debido a la oxidación. "Por lo tanto, Serán beneficiosas nuevas mejoras en la prevención de la degradación del fósforo negro en el electrolito, "concluyeron.

Este trabajo abre una aplicación novedosa y atractiva para el fósforo negro. En la reducción de nitrógeno electrocatalítico, el rendimiento del fósforo negro es superior a otros catalizadores no metálicos e incluso metálicos, lo que sugiere que este material pronto puede desempeñar un papel más importante en la electrocatálisis. A tiempo, quizás incluso el proceso Haber-Bosch tenga un competidor.