La contaminación que surge de una economía global en auge plantea una serie de amenazas diferentes para la salud humana. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Zhongyuan propusieron una nueva vía posible para convertir eficientemente el nitrato, un contaminante muy extendido del agua, en amoníaco valioso.

El equipo describió un camino novedoso para convertir eficientemente nitrato en amoníaco utilizando polioxometalato con metal añadido como catalizador en condiciones operativas suaves en su estudio publicado recientemente en Polyoxometalates. .

En las últimas décadas, se han implementado varios métodos para mitigar el nitrógeno nitrato, que contribuye a la contaminación de las aguas subterráneas. Estudios anteriores han demostrado que la reducción química no sólo puede reducir o eliminar el nitrógeno nitrato, sino que también puede darle un buen uso al contaminante dañino convirtiéndolo en amoníaco, un importante químico industrial sintético utilizado en todo el mundo.

El amoníaco, omnipresente en una amplia gama de campos, tiene una densidad energética extremadamente alta y es fácil de licuar y transportar. Un método centenario llamado proceso Haber-Bosch convierte el nitrógeno atmosférico en amoníaco mediante una reacción con hidrógeno utilizando un catalizador de metal de hierro a altas temperaturas y presiones. Sin embargo, las presiones y temperaturas necesarias para el proceso de "fijación" consumen grandes cantidades de energía y producen enormes cantidades de emisiones de gases de efecto invernadero.

"Deberíamos encontrar métodos de alta eficiencia y respetuosos con el medio ambiente para reducir el nitrógeno a amoníaco en condiciones suaves", afirmó Zhihui Ni, autor del estudio de la Universidad Tecnológica de Zhongyuan.

En los últimos años, los científicos han estado desarrollando una serie de técnicas suaves de reducción de nitrógeno como alternativas al proceso Haber-Bosch, incluida la electrocatálisis, la fotocatálisis y las pilas de combustible microbianas. De estas, la reacción electroquímica de reducción de nitrato es una ruta sintética alternativa prometedora para la producción sostenible de amoníaco, porque no solo elimina el nitrato del agua sino que también produce amoníaco en condiciones operativas suaves.

Sobre esta base, el equipo de investigación sintetizó dos polioxometalatos (POM) con níquel añadido, una clase de grupos de óxidos metálicos con propiedades fisicoquímicas únicas que los hacen particularmente efectivos en el uso de energía eléctrica para impulsar una reacción química.

Gracias a la estabilidad de sus estructuras moleculares y sus propiedades redox reversibles, los POM como catalizadores pueden descomponer los contaminantes orgánicos en las aguas residuales y reducir el dióxido de carbono. Los POM también pueden catalizar transformaciones orgánicas simples, incluida la formación de enlaces.

El equipo de investigación caracterizó las estructuras de los compuestos de níquel y los sintetizó hidrotermalmente para probarlos a altas presiones. Las pruebas de reacción electroquímica de reducción de nitrato se realizaron utilizando una estación de trabajo electroquímica.

"Para evaluar la viabilidad de la reducción de nitrato en condiciones operativas reales, realizamos pruebas electrocatalíticas en una amplia gama de concentraciones de nitrato", dijo Ni. También probaron la estabilidad de los electrocatalizadores, la tasa de rendimiento de amoníaco y la eficiencia de Faraday, entre otros parámetros.

Los resultados muestran una reducción catalítica electroquímica de nitrógeno a amoníaco de alta eficiencia.

"Este descubrimiento crea un camino novedoso para la fabricación de electrocatalizadores de reacción electroquímica de reducción de nitrato altamente efectivos utilizando polioxometalato con metal añadido como catalizador en entornos ambientales", dijo Ni. "Los resultados de la investigación ofrecen consejos prácticos para crear catalizadores electrocatalíticos eficaces."

En el futuro, el equipo de investigación planea explorar más a fondo este método de creación de catalizadores electrocatalíticos eficaces.

Más información: Zhihui Ni et al, Silicotungstatos hexanucleares con níquel añadido como electrocatalizadores de alta eficiencia para la reducción de nitratos a amoníaco, Polioxometalatos (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140044

Proporcionado por Tsinghua University Press