Científicos de la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía están convirtiendo el aire en fertilizante sin dejar huella de carbono. Su descubrimiento podría ofrecer una solución muy necesaria para ayudar a alcanzar los objetivos mundiales de neutralidad de carbono para 2050.
Publicado en la revista Energy &Environmental Science , el estudio describe un proceso electroquímico sostenible, en lugar de químico, para producir amoníaco, un ingrediente clave para los fertilizantes nitrogenados.
En esencia, los investigadores utilizaron la dispersión de neutrones para comprender cómo el ciclo de una corriente eléctrica durante la conversión de nitrógeno en amoníaco, también conocida como reacción de reducción de nitrógeno, aumenta la cantidad de amoníaco producido. Este proceso tiene el potencial de permitir a los agricultores convertir el nitrógeno, el elemento más abundante en nuestra atmósfera, en fertilizantes a base de amoníaco sin emitir dióxido de carbono.
"El amoníaco es fundamental para el suministro de alimentos para la mayor parte de la población mundial", dijo Sarah Blair, ex estudiante de doctorado en el Centro de Ciencia de Interfaz y Catálisis de Stanford que ahora trabaja en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado como investigadora postdoctoral. "A medida que la población mundial sigue creciendo, necesitamos formas sostenibles de producir fertilizantes, especialmente a medida que se intensifica el calentamiento".
Los fertilizantes industriales permiten a los agricultores cultivar más alimentos en menos tierra. Sin embargo, el método principal para crear amoníaco industrial durante más de un siglo, el proceso Haber-Bosch, representa casi el 2 % de todas las emisiones de dióxido de carbono debido a los combustibles fósiles que requiere.
Puede que el dos por ciento no parezca mucho, pero estamos añadiendo dióxido de carbono a la atmósfera más rápido de lo que el planeta puede absorberlo, por lo que cada esfuerzo cuenta para reducir esa cifra. El proceso Haber-Bosch produce alrededor de 500 millones de toneladas de dióxido de carbono cada año, lo que requeriría el equivalente de casi todas las tierras federales de Estados Unidos para absorberlo y almacenarlo.
Los conocimientos del estudio también podrían ayudar a los científicos a comprender otros procesos para producir amoníaco neutro en carbono para otras aplicaciones. Estas podrían incluir el reciclaje o la recaptura de fertilizantes escurridos antes de que entren en las corrientes de agua y la producción de amoníaco en los puertos marítimos para abastecer de combustible a los barcos. El transporte marítimo mundial produce otro 3 % de las emisiones de dióxido de carbono del mundo, y la quema de combustibles fósiles representa la mayor fuente de dióxido de carbono procedente de la actividad humana.
"No se puede mejorar el diseño de algo si no se sabe cómo funciona", dijo Blair. "Los neutrones ayudan a la ciencia a evolucionar al arrojar luz a nivel atómico sobre ciertos sistemas que son imposibles de estudiar de otra manera."
Blair y Mat Doucet, científico senior de dispersión de neutrones en ORNL, llevaron a cabo sus experimentos de neutrones en el instrumento Reflectómetro de líquidos en la Fuente de neutrones de espalación. Su objetivo era comprender el efecto del ciclo de una corriente eléctrica en la formación de la interfaz sólido-electrolito, o SEI, en un sistema de reacción de reducción de nitrógeno que produce amoníaco utilizando litio como mediador.
Comprender la formación de SEI es la clave no sólo para desbloquear la ciencia detrás de la producción electroquímica de amoníaco, sino también para producir mejores baterías. El estudio también marca el primer uso de técnicas basadas en neutrones para observar la formación de una capa SEI durante esta conversión electroquímica en particular.
Además, del estudio surgió una nueva y singular técnica de neutrones, la reflectometría resuelta en el tiempo. Esta técnica permite a los científicos dividir los datos de neutrones en incrementos de unos pocos segundos, capturando mayores detalles, de forma muy parecida a ver una película fotograma a fotograma. Inicialmente, Blair y Doucet pensaron que los cambios electroquímicos que observaron ocurrían gradualmente. Sin embargo, gracias a la nueva técnica, descubrieron que los cambios se producían en incrementos de tiempo mucho más pequeños.
"Los procesos que parecen lineales pueden no serlo en absoluto cuando se los observa más de cerca", dijo Doucet. "Llegar a esa estructura en función del tiempo es la parte difícil. La técnica que desarrollamos para este experimento nos permitió hacer precisamente eso".
Los descubrimientos en el SNS sientan las bases del conocimiento para innovaciones tecnológicas que mejoran la vida diaria de las personas. La técnica que desarrollaron Blair y Doucet abre nuevas posibilidades en electroquímica para los usuarios de SNS.
Hanyu Wang, científico de instrumentos ORNL que también trabaja estrechamente con usuarios de SNS, dijo:"Estos experimentos dependientes del tiempo atraerán a científicos que estudian la química de separación".
El líder del grupo ORNL Neutron Reflectometry, Jim Browning, añadió:"Su enfoque puede responder a muchas preguntas sobre químicas de separación, baterías y una gama completa de diferentes áreas de interés, como la producción de energía, el almacenamiento de energía y la conservación de energía".
Más información: Sarah J. Blair et al, Análisis combinado de difracción de rayos X y reflectometría de neutrones in situ, resuelto en el tiempo, de la formación dinámica de SEI durante el N2 electroquímico reducción, Energía y Ciencias Ambientales (2023). DOI:10.1039/D2EE03694K
Información de la revista: Energía y ciencias ambientales
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
