La mayor parte del fertilizante mundial se produce en grandes plantas de fabricación, que requieren enormes cantidades de energía para generar las altas temperaturas y presiones necesarias para combinar nitrógeno e hidrógeno en amoníaco.

Los ingenieros químicos del MIT están trabajando para desarrollar una alternativa a menor escala, que imaginan que podrían utilizarse para producir localmente fertilizantes para agricultores en zonas remotas, zonas rurales, como el África subsahariana. El fertilizante es a menudo difícil de obtener en tales áreas debido al costo de transportarlo desde las grandes instalaciones de fabricación.

En un paso hacia ese tipo de producción a pequeña escala, el equipo de investigación ha ideado una forma de combinar hidrógeno y nitrógeno utilizando corriente eléctrica para generar un catalizador de litio, donde tiene lugar la reacción.

"En el futuro, si imaginamos cómo queremos que se use esto algún día, queremos un dispositivo que pueda respirar aire, tomar agua, tener un panel solar conectado, y poder producir amoniaco. Esto podría ser utilizado por un agricultor o una pequeña comunidad de agricultores, "dice Karthish Manthiram, profesor asistente de ingeniería química en el MIT y autor principal del estudio.

El estudiante de posgrado Nikifar Lazouski es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Catálisis de la naturaleza . Otros autores incluyen a los estudiantes de posgrado Minju Chung y Kindle Williams, y la licenciatura Michal Gala.

Menor escala

Durante más de 100 años, El fertilizante se ha fabricado mediante el proceso Haber-Bosch, que combina nitrógeno atmosférico con hidrógeno gaseoso para formar amoniaco. El gas de hidrógeno utilizado para este proceso se obtiene generalmente a partir del metano derivado del gas natural u otros combustibles fósiles. El nitrógeno es muy poco reactivo, por lo que se requieren altas temperaturas (500 grados Celsius) y presiones (200 atmósferas) para que reaccione con el hidrógeno para formar amoníaco.

Usando este proceso, las plantas de fabricación pueden producir miles de toneladas de amoníaco por día, pero su funcionamiento es caro y emiten una gran cantidad de dióxido de carbono. Entre todos los productos químicos producidos en gran volumen, el amoníaco es el mayor contribuyente a las emisiones de gases de efecto invernadero.

El equipo del MIT se propuso desarrollar un método de fabricación alternativo que pudiera reducir esas emisiones, con el beneficio adicional de la producción descentralizada. En muchas partes del mundo, hay poca infraestructura para distribuir fertilizantes, lo que hace que sea costoso obtener fertilizantes en esas regiones.

"La característica ideal de un método de próxima generación para producir amoníaco sería que se distribuye. En otras palabras, podrías hacer que el amoníaco esté cerca de donde lo necesitas, "Dice Manthiram". E idealmente, también eliminaría el CO ₂ huella que de otro modo existe ".

Mientras que el proceso de Haber-Bosch usa calor y presión extremos para forzar la reacción del nitrógeno y el hidrógeno, el equipo del MIT decidió intentar usar electricidad para lograr el mismo efecto. Investigaciones anteriores han demostrado que la aplicación de voltaje eléctrico puede cambiar el equilibrio de la reacción de modo que favorezca la formación de amoníaco. Sin embargo, ha sido difícil hacer esto de una manera económica y sostenible, dicen los investigadores.

La mayoría de los esfuerzos anteriores para realizar esta reacción a temperaturas y presiones normales han utilizado un catalizador de litio para romper el fuerte triple enlace que se encuentra en las moléculas de gas nitrógeno. El producto resultante, nitruro de litio, luego puede reaccionar con átomos de hidrógeno de un solvente orgánico para producir amoníaco. Sin embargo, el disolvente normalmente utilizado, tetrahidrofurano, o THF, es caro y se consume por la reacción, por lo que necesita ser reemplazado continuamente.

El equipo del MIT ideó una forma de utilizar gas hidrógeno en lugar de THF como fuente de átomos de hidrógeno. Diseñaron un electrodo en forma de malla que permite que el gas nitrógeno se difunda a través de él e interactúe con el hidrógeno. que se disuelve en etanol, en la superficie del electrodo.

Este acero inoxidable, la estructura de malla está recubierta con el catalizador de litio, producido mediante el recubrimiento de iones de litio de la solución. El gas nitrógeno se difunde a lo largo de la malla y se convierte en amoníaco a través de una serie de pasos de reacción mediados por litio. Esta configuración permite que el hidrógeno y el nitrógeno reaccionen a velocidades relativamente altas, a pesar de que normalmente no son muy solubles en ningún líquido, lo que hace que sea más difícil reaccionar a tasas elevadas.

"Esta tela de acero inoxidable es una forma de poner en contacto muy eficazmente el gas nitrógeno con nuestro catalizador, al mismo tiempo que tiene las conexiones eléctricas e iónicas que se necesitan, "Dice Lazouski.

División de agua

En la mayoría de sus experimentos de producción de amoníaco, los investigadores utilizaron gases de nitrógeno e hidrógeno que fluían desde un cilindro de gas. Sin embargo, también demostraron que podían utilizar el agua como fuente de hidrógeno, primero electrolizando el agua y luego haciendo fluir ese hidrógeno a su reactor electroquímico.

El sistema general es lo suficientemente pequeño como para sentarse en una mesa de laboratorio, pero podría ampliarse para producir mayores cantidades de amoníaco conectando muchos módulos juntos, Dice Lazouski. Otro desafío clave será mejorar la eficiencia energética de la reacción, que ahora es solo alrededor del 2 por ciento, en comparación con el 50 a 80 por ciento de la reacción de Haber-Bosch.

"Tenemos una reacción general que finalmente parece favorable, que es un gran paso adelante, ", dice." Pero sabemos que todavía hay un problema de pérdida de energía que debe resolverse. Esa será una de las cosas más importantes que queremos abordar en el trabajo futuro que emprenderemos ".

Además de servir como método de producción para pequeños lotes de fertilizante, este enfoque también podría prestarse al almacenamiento de energía, Dice Manthiram. Esta idea, que ahora están siendo perseguidos por algunos científicos, pide el uso de electricidad producida por energía eólica o solar para generar amoníaco. El amoníaco podría servir entonces como combustible líquido que sería relativamente fácil de almacenar y transportar.

"El amoníaco es una molécula tan crítica que puede desempeñar muchos papeles diferentes, y este mismo método de producción de amoniaco podría utilizarse en muy diversas aplicaciones, "Dice Manthiram.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.