El amoníaco es el punto de partida de los fertilizantes que han asegurado el suministro mundial de alimentos durante el último siglo. También es un componente principal de los productos de limpieza e incluso se considera un futuro sustituto libre de carbono de los combustibles fósiles en los vehículos.
Pero sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno molecular es un proceso industrial que consume mucha energía, debido a las altas temperaturas y presiones a las que se produce la reacción estándar. Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ahora tienen una nueva forma de producir amoníaco que funciona a temperatura y presión ambiente.
Desde 1909, el estándar industrial para sintetizar amoníaco ha implicado convertir nitrógeno molecular (dinitrógeno, N2 ) mediante una reacción con gas hidrógeno utilizando catalizadores a base de metales, conocida como proceso Haber-Bosch. Polly Arnold, científica senior y directora de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley, ha descubierto que, en cambio, los catalizadores fabricados a partir de abundantes metales de las llamadas tierras raras pueden facilitar esta reacción a temperatura ambiente.
"Nadie esperaba que los metales de tierras raras provocaran esta reacción. Han ampliado nuestro arsenal de posibles catalizadores de condiciones ambientales", afirma Arnold, que también es profesor de química en UC Berkeley.
Los metales de tierras raras son elementos pesados, blandos, de color blanco plateado que componen todos los metales no radiactivos del grupo que se encuentra al final de la tabla periódica y han atraído mucho interés para aplicaciones en electrónica, láseres y materiales magnéticos. .
"A pesar de su nombre, los metales de tierras raras no son realmente raros", dijo Anthony Wong, investigador postdoctoral en el grupo de Arnold en UC Berkeley y afiliado a la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley y autor principal del artículo en Chem Catalysis que describe la obra. "Algunos son casi tan comunes como el cobre y sus sales son menos tóxicas que los metales que ya se utilizan en catálisis", añadió.
Lo interesante de los metales de tierras raras, desde una perspectiva fundamental, es que tienen un conjunto de electrones adicionales que sus homólogos de metales de transición no tienen. Esto les confiere interesantes propiedades optomagnéticas, pero los químicos no entienden del todo si los electrones podrían utilizarse en reacciones y cómo. Examinar las reacciones que involucran metales de tierras raras es una herramienta atractiva para comprender sus estructuras electrónicas y cómo sus estructuras pueden aplicarse a una nueva reactividad.
Se sabe que las tierras raras se unen al nitrógeno molecular desde la década de 1990. Sin embargo, hasta ahora, los investigadores no han podido utilizarlos para crear sustancias químicas funcionalizadas con nitrógeno, como amoníaco o aminas, de forma catalítica a partir de N2. .
Wong, Arnold y sus colegas diseñaron compuestos que unían dos metales de tierras raras con enlaces simples hechos de fenolatos basados en un antioxidante simple utilizado ampliamente en los alimentos. La estructura resultante formó una cavidad rectangular.
El nitrógeno molecular que se difundió en la cavidad formó enlaces con los metales en cada extremo, lo que activa el gas. Luego, los electrones introducidos en la cavidad desde una fuente de potasio atacaron el nitrógeno activado, rompiendo sus enlaces. En todas sus formas estándar, el nitrógeno convertido forma tres enlaces covalentes con átomos de hidrógeno u otros reactivos, lo que da como resultado amoníaco o aminas simétricas.
"Nuestros catalizadores activan y retienen el dinitrógeno, mientras que diferentes reactivos entran y reaccionan para formar diferentes productos", dijo Arnold. Su intención es utilizar electrodos en lugar del reactivo de potasio como fuente de electrones, ya que estos pueden ser renovables si se derivan, por ejemplo, de células solares.
A continuación, los científicos explorarán cómo utilizar tierras raras para sintetizar productos adicionales que contienen nitrógeno ajustando la forma y el tamaño de la cavidad con forma de buzón. "Nuestro siguiente paso es explorar y comprender qué propiedades de los metales de tierras raras afectan la química", afirmó Wong.
El nuevo proceso no sustituirá al extendido proceso industrial Haber-Bosch. La producción mundial de amoníaco ha rondado los 200 millones de toneladas métricas al año desde 2020, y las herramientas existentes están optimizadas y son extremadamente eficientes a gran escala. Pero el proceso consume alrededor del 2% del uso de energía mundial y crea desigualdades geográficas en la disponibilidad de amoníaco.
"Eso no es justicia alimentaria", dijo Arnold. Wong añadió:"Necesitamos mejores formas de producir amoníaco que consuman menos energía y puedan realizarse a temperaturas y presiones ambientales para ayudar con la seguridad alimentaria y energética". Su tecnología patentada podría llevar fertilizantes y productos de nitrógeno químicamente específicos a regiones sin un oleoducto, y a un costo mucho menor.
Parte de esta investigación se llevó a cabo en Advanced Light Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía ubicada en Berkeley Lab.
Más información: Anthony Wong et al, Reducción catalítica de dinitrógeno a sililaminas mediante lantánidos abundantes en la tierra y complejos del grupo 4, Chem Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100964
Información de la revista: Catálisis química
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
