Los ingenieros de Georgia Tech están trabajando para hacer que los fertilizantes sean más sostenibles (desde la producción hasta la reutilización productiva del escurrimiento después de la aplicación) y un par de nuevos estudios ofrecen vías prometedoras en ambos extremos del proceso.
En un artículo, los investigadores han desentrañado cómo el nitrógeno, el agua, el carbono y la luz pueden interactuar con un catalizador para producir amoníaco a temperatura y presión ambiente, un enfoque que consume mucha menos energía que la práctica actual. El segundo artículo describe un catalizador estable capaz de convertir los fertilizantes de desecho en nitrógeno no contaminante que algún día podría usarse para producir nuevos fertilizantes.
Aún queda mucho trabajo por hacer en ambos procesos, pero la autora principal de los artículos, Marta Hatzell, dijo que son un paso hacia un ciclo más sostenible que aún satisface las necesidades de una población mundial en crecimiento.
"A menudo pensamos que sería bueno no tener que usar fertilizantes sintéticos para la agricultura, pero eso no es realista en el corto plazo considerando cuánto depende el crecimiento de las plantas de los fertilizantes sintéticos y cuántos alimentos necesita la población mundial", dijo Hatzell, asociado profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff. "La idea es que tal vez algún día se pueda fabricar, capturar y reciclar fertilizantes en el sitio".
El amoníaco rico en nitrógeno es un fertilizante esencial en la producción mundial de alimentos. Sin embargo, crearlo requiere una cantidad significativa de energía derivada del petróleo y sólo se puede hacer en unas 100 instalaciones a gran escala en todo el mundo.
Hatzell y sus colegas de Georgia Tech han descubierto el importante papel de las moléculas llamadas radicales de carbono para un enfoque de baja energía que utiliza un catalizador reactivo a la luz para fusionar nitrógeno e hidrógeno en amoníaco. Informaron sus hallazgos en el Journal of the American Chemical Society Au. (JACS Au ).
Las reacciones fotoquímicas son prometedoras porque podrían utilizar energía solar en lugar de combustibles fósiles y ofrecer un enfoque más descentralizado para la fabricación de amoníaco. Normalmente, la reacción necesaria requiere temperaturas de alrededor de 400° Celsius y 100 veces la presión atmosférica normal. Crear un proceso a presión y temperatura ambiente (alrededor de 25 °C) sería considerablemente más fácil.
El equipo, que incluía investigadores de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular y la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental, utilizó herramientas de espectroscopia para mostrar que la luz interactúa con el fotocatalizador para producir moléculas de carbono de alta energía llamadas radicales de carbono.
"Descubrimos, sorprendentemente, que el nitrógeno no reacciona directamente a bajas temperaturas. Realmente se necesita la presencia de radicales de carbono para ayudar en el proceso de fijación de nitrógeno", afirmó Hatzell.
"Para nosotros era realmente importante intentar identificar esa vía de reacción, porque sin una comprensión clara de cómo el nitrógeno y el agua dan como resultado la formación de amoníaco, realmente no podemos diseñar sistemas ni diseñar nuevos materiales", continuó. P>
"Al mapear esta vía de reacción y comprender todos los posibles procesos catalíticos que pueden tener lugar, ahora podemos diseñar mejor los reactores y diseñar mejores materiales para acelerar el proceso".
El equipo utilizó dióxido de titanio como fotocatalizador en estos experimentos porque está bien estudiado y es muy útil, pero Hatzell dijo que otros materiales podrían resultar más eficaces para provocar la creación de amoníaco en una reacción fotoquímica. Esta nueva comprensión puede ayudar a los científicos a comenzar a optimizar el proceso.
El segundo estudio del laboratorio de Hatzell, publicado en ACS Energy Letters —está trabajando en el extremo opuesto del ciclo de vida del fertilizante. Se desperdician cantidades significativas de nitrógeno cuando se aplican fertilizantes a los cultivos; tal vez hasta el 80% no es metabolizado por las plantas. Estos residuos de nitrato suelen acabar contaminando las aguas subterráneas.
Hatzell trabajó con otros ingenieros mecánicos e investigadores de Georgia Tech en dos laboratorios nacionales para crear una aleación de paladio y cobre que reduce esos nitratos a nitrógeno, que puede liberarse sin causar daño al aire o, algún día, usarse para alimentar procesos como la reacción fotoquímica. en la JACS Au estudio para crear un nuevo fertilizante de amoníaco.
"Nuestro catalizador no sólo es bueno, sino que también es estable durante un período de tiempo muy largo", afirmó Hatzell. "Muchos investigadores han ideado catalizadores que logran una buena conversión, pero los catalizadores no son estables. Hemos creado un material de aleación altamente ordenado que es efectivo, eficiente y también estable, lo que significa que podría trabajar con estos flujos de residuos."
Ambos estudios son el resultado de una concentración de experiencia en la Facultad de Ingeniería que trabaja para lograr avances en esta área. Incluyen contribuciones de investigadores como A.J. Medford, Seung Woo Lee y Carsten Sievers.
También son parte de un esfuerzo más amplio, Hatzell y otros en Tech ayudan a liderar, que está trabajando para reducir la contaminación por nitrógeno y, en su lugar, crear una economía circular del nitrógeno mediante la captura, el reciclaje y la producción de fertilizantes descarbonizados a base de nitrógeno.
"Con ese centro de 10 años, estamos trabajando para desarrollar todos estos procesos y tecnologías individuales", dijo Hatzell. "Luego descubriremos cómo montarlos y ponerlos a prueba en plantas de tratamiento de aguas residuales y zonas agrícolas".
Más información: Po-Wei Huang et al, Formación de radicales centrados en nitrógeno inducidos por carbono sobre dióxido de titanio bajo iluminación, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556
Jeonghoon Lim et al, Electrocatalizadores de PdCu ordenados atómicamente para la reducción electroquímica selectiva y estable de nitrato, ACS Energy Letters (2023). DOI:10.1021/acsenergylett.3c01672
Información de la revista: Cartas de Energía ACS
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Georgia
