Un equipo de investigadores ha desvelado una alternativa prometedora a los métodos convencionales de síntesis de amoníaco, una alternativa más respetuosa con el medio ambiente.
Los detalles de su investigación se publicaron en el Journal of Materials Chemistry A. el 21 de febrero de 2024.
Cuando Fritz Haber y Carl Bosch inventaron un medio para sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno gaseoso a principios del siglo XX, permitió la producción del producto químico a nivel industrial. Hasta el día de hoy, la síntesis de Haber-Bosch sigue siendo el método dominante para producir amoníaco.
Sin embargo, el método tiene algunos inconvenientes ambientales. Requiere mucha energía y recursos, y la producción de gas hidrógeno a menudo implica gas natural, que libera dióxido de carbono como subproducto.
La reacción electroquímica de reducción de nitrógeno (ENRR), en la que el gas nitrógeno del aire se puede convertir en amoníaco mediante una corriente eléctrica, se considera una alternativa prometedora y sostenible. Sin embargo, buscar catalizadores ENRR rentables y de alto rendimiento es un desafío abierto para lograr la producción de amoníaco a temperatura ambiente a escala comercial.
"Exploramos el potencial de los disulfuros de metales de transición menos preciosos (TMS2 ) como catalizadores de ENRR", dice Hao Li, profesor asociado del Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (WPI-AIMR) de la Universidad de Tohoku y autor correspondiente del artículo. "A través de un análisis meticuloso de los estados superficiales inducidos por la electroquímica, descubrimos un factor previamente no reconocido contribuyendo a su alto rendimiento ENRR:generación de vacantes S."
Li y sus colegas comenzaron con un ENRR TMS2 típico. catalizador, disulfuro de hierro (FeS2 ), donde observaron que bajo condiciones ENRR, las vacantes S pueden generarse fácilmente en la superficie del catalizador. A través de simulaciones computacionales avanzadas, demostraron que esta generación "in situ" de vacantes S impulsada por electroquímica mejora significativamente la actividad ENRR al promover una mayor adsorción y activación de N-N.
Las observaciones experimentales confirmaron sus hallazgos, que también fueron consistentes con la literatura reciente sobre las ventanas potenciales de ENRR que alcanzan la máxima eficiencia faradaica:la medida de la efectividad de un proceso electroquímico para convertir energía eléctrica en energía química o viceversa.
Su análisis también se extendió a otros TMS2 catalizadores (SnS2 , MoS2 , NiS2 y VS2 ), revelando un fenómeno universal de generación de vacantes S "in situ" bajo potenciales ENRR.
"Nuestra investigación subraya la importancia crítica de considerar los estados de la superficie en el diseño de catalizadores ENRR", añade Li. "Al arrojar luz sobre el papel de las vacantes S, hemos proporcionado una valiosa hoja de ruta para mejorar el rendimiento de ENRR y acelerar la transición hacia la producción sostenible de amoníaco".
Más información: Tianyi Wang et al, Origen de la actividad electrocatalítica de reducción de nitrógeno sobre disulfuros de metales de transición:papel fundamental de la generación in situ de vacantes de S, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA00307A
Información de la revista: Revista de Química de Materiales A
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
