El amoníaco es una materia prima necesaria para producir fertilizantes, productos químicos, productos farmacéuticos y polímeros a base de nitrógeno. Hasta la fecha, alrededor del 80 % del amoníaco mundial se utiliza para producir fertilizantes a base de nitrógeno, lo que representa el 50 % de la producción mundial de alimentos.
La producción mundial de amoníaco es de aproximadamente 180 millones de toneladas métricas por año a través del proceso Haber-Bosch, que consume mucha energía y consume mucha carbono. El alto consumo de energía, la alta intensidad de carbono y la alta inversión de capital del proceso Haber-Bosch hacen que el desarrollo de rutas ambientalmente sostenibles y asequibles para la síntesis de amoníaco en condiciones ambientales sea más urgente.
La síntesis electroquímica de amoníaco, impulsada por energía renovable, ofrece una solución prometedora a este rompecabezas. La reacción electrocatalítica de reducción de nitrato (NtrRR) para la síntesis de amoníaco en condiciones ambientales tiene el potencial de abordar problemas ambientales y obtener productos químicos útiles simultáneamente.
Aunque se han realizado muchos esfuerzos para desarrollar un catalizador eficiente para mejorar la eficiencia de Faraday del amoníaco y la densidad de corriente en el NtrRR, todavía enfrenta algunos desafíos científicos y prácticos. Esta perspectiva tiene como objetivo discutir esos desafíos y proponer las soluciones correspondientes.
En una perspectiva reciente del Departamento de Física de la Universidad Técnica de Dinamarca, el Dr. Xianbiao Fu explora los prometedores desarrollos y desafíos en la reducción electroquímica de nitrato para la síntesis de amoníaco. Esta perspectiva fue publicada en el Chinese Journal of Catalysis .
El Dr. Fu enfatiza la importancia del suministro sostenible de nitrato y propone tres rutas potenciales:utilizar aguas residuales industriales, emplear procesos de plasma y explorar la oxidación electroquímica del nitrógeno. La producción de nitrato sostenible y asequible se identifica como un desafío clave para la viabilidad de la reducción electroquímica de nitrato.
El estudio subraya la importancia de comprender el equilibrio de especies en las reacciones de reducción de nitratos, especialmente en lo que respecta a los cambios en el pH de los electrolitos a lo largo del tiempo. Este factor, que a menudo se pasa por alto, podría afectar la estabilidad y el rendimiento a largo plazo del sistema electroquímico.
Un desafío notable destacado es la limitación de la transferencia de masa de nitrato, que requiere soluciones innovadoras para mejorar el transporte de nitrato a altas densidades de corriente. Esta perspectiva analiza estrategias potenciales, como reactores de microfluidos, agitación y el uso de electrolitos de nitrato de alta concentración.
La estabilidad de los catalizadores para la reducción de nitratos se identifica como un aspecto crucial, especialmente para aplicaciones industriales. Si bien ciertos metales de transición como el cobre y el cobalto han mostrado una alta actividad y selectividad, su estabilidad tras un uso prolongado sigue siendo motivo de preocupación. Se proponen estrategias como aleación, encapsulación e inmovilización para mejorar la estabilidad del catalizador.
En conclusión, esta perspectiva proporciona una visión integral de las oportunidades y desafíos en la reducción electroquímica de nitrato para la síntesis de amoníaco.
Los conocimientos de Fu allanaron el camino para futuras direcciones de investigación, enfatizando la necesidad de rutas sostenibles de suministro de nitrato, comprendiendo el equilibrio de especies, superando las limitaciones de la transferencia de masa y garantizando la estabilidad del catalizador para avanzar en el campo hacia una síntesis de amoníaco respetuosa con el medio ambiente y económicamente viable.
Más información: Xianbiao Fu, Algunas reflexiones sobre la reacción electroquímica de reducción de nitrato, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64521-8
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
