Investigadores de la Universidad de Estocolmo han podido estudiar por primera vez la superficie de los catalizadores de hierro y rutenio cuando se forma amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. El estudio, "Operando sondeo de la química de superficies durante el proceso Haber-Bosch", se publica en Nature .
Un mejor conocimiento del proceso catalítico y la posibilidad de encontrar materiales aún más eficientes abren la puerta a una transición verde en la actual economía de CO2. -industria química intensiva.
El amoníaco, producido en el proceso Haber-Bosch, es actualmente uno de los productos químicos base más imprescindibles en el mundo para producir fertilizantes, con una producción anual de 110 millones de toneladas. La revista Naturaleza propuso en 2001 que el proceso Haber-Bosch era el invento científico más importante para la humanidad durante el siglo XX, ya que ha salvado la vida de alrededor de 4 mil millones de personas al prevenir la hambruna masiva. Una estimación del contenido de nitrógeno en el ADN y las proteínas de nuestro cuerpo muestra que la mitad de los átomos pueden derivarse de Haber-Bosch.
"A pesar de los tres premios Nobel (1918, 1931 y 2007) por el proceso Haber-Bosch, no ha sido posible investigar experimentalmente la superficie del catalizador con métodos sensibles a la superficie en condiciones reales de producción de amoníaco; técnicas experimentales con sensibilidad superficial a No se habían podido alcanzar presiones y temperaturas suficientemente altas", afirma Anders Nilsson, profesor de Física Química en la Universidad de Estocolmo.
"Por lo tanto, no se han podido verificar de forma inequívoca diferentes hipótesis sobre el estado del catalizador de hierro como metálico o como nitruro, así como sobre la naturaleza de las especies intermedias importantes para el mecanismo de reacción."
"Lo que permitió este estudio es que hemos construido un instrumento de espectroscopía fotoelectrónica en Estocolmo que permite estudiar las superficies de los catalizadores bajo altas presiones. De este modo, hemos podido observar lo que sucede cuando la reacción ocurre directamente", dice David Degerman, postdoctorado en Química. Física en la Universidad de Estocolmo.
"Hemos abierto una nueva puerta para comprender la catálisis de la producción de amoníaco con nuestro nuevo instrumento, donde ahora podemos detectar intermediarios de reacción y proporcionar evidencia del mecanismo de reacción".
"Tener nuestro instrumento de Estocolmo junto a una de las fuentes de rayos X más brillantes del mundo, PETRA III en Hamburgo, ha sido crucial para realizar el estudio", afirma Patrick Lömker, investigador de la Universidad de Estocolmo. "Ahora podemos imaginar el futuro con fuentes aún más brillantes cuando la máquina se actualice a PETRA IV."
"Ahora tenemos las herramientas para realizar investigaciones que conduzcan a nuevos materiales catalizadores para la producción de amoníaco que puedan utilizarse mejor para combinarlos con el hidrógeno producido por electrólisis para la transición verde de la industria química", afirma Anders Nilsson.
"Es inspirador realizar investigaciones sobre un tema que está tan vinculado a una historia de éxito científico que ha ayudado enormemente a la humanidad. Estoy ansioso por continuar la investigación para encontrar nuevos catalizadores que puedan disminuir nuestra dependencia de las fuentes fósiles. La industria química por sí sola representa 8% del CO2 mundial emisiones", dice Bernadette Davies, estudiante de doctorado en Química de Materiales en la Universidad de Estocolmo.
"La perspectiva a largo plazo de llevar a cabo la producción de amoníaco a través de una alternativa electrocatalítica impulsada directamente por la electricidad solar o eólica es muy atractiva, y ahora tenemos herramientas para ayudar científicamente en este desarrollo", dice Sergey Koroidov, investigador de la Universidad de Estocolmo. .
El estudio se realizó en colaboración con Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Hamburgo y la Universidad Montan en Austria. El estudio incluyó a ex empleados de la Universidad, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen y Gabriel Rodrigez.
Más información: Anders Nilsson, Operando el sondeo de la química de la superficie durante el proceso Haber-Bosch, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06844-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Estocolmo
