El uso de radiación ultravioleta (hν) para producir electrones energéticos (e-) permite que un catalizador de cobre-paladio (esferas verde y azul) genere hidrógeno (H0) sin utilizar combustibles fósiles. Este material puede transformar iones de nitrato (NO3-) en amoniaco (NH3). Reproducido, con permiso, de Ref. 1 © 2011 Sociedad Química Estadounidense
Cultivos nutritivos con amoniaco sintético (NH 3 ) los fertilizantes han impulsado cada vez más los rendimientos agrícolas, pero esa productividad tiene un precio. La aplicación excesiva de este producto químico puede acumular iones de nitrato (NO 3 -) concentraciones en el suelo - un veneno potencial de las aguas subterráneas y una fuente de alimento para la proliferación de algas nocivas. Es más, La fabricación industrial de amoníaco es un proceso de uso intensivo de energía que contribuye significativamente a la generación de gases de efecto invernadero en la atmósfera.
Un equipo de investigación dirigido por Miho Yamauchi y Masaki Takata del Centro RIKEN SPring-8 en Harima ha descubierto ahora una forma casi ideal de desintoxicar los efectos de los fertilizantes de amoníaco. Al sintetizar nanocatalizadores bimetálicos fotoactivos que generan gas hidrógeno a partir del agua utilizando energía solar, el equipo puede convertir NO catalíticamente 3 - volver al NH3 a través de una ruta eficiente sin emisiones de dióxido de carbono.
Reemplazo de los átomos de oxígeno del NO 3 - con hidrógeno es un truco químico difícil, pero los químicos pueden lograr esta hazaña usando nanopartículas de aleaciones de cobre-paladio (CuPd) para inmovilizar nitratos en sus superficies y catalizar una reacción de reducción con átomos de hidrógeno disueltos. Sin embargo, la distribución atómica en la superficie de la "nanoaleación" afecta el resultado de este procedimiento:las regiones con grandes dominios de átomos de Pd tienden a crear gas nitrógeno, mientras que las aleaciones bien mezcladas producen preferentemente amoníaco.
Según Yamauchi, El desafío de sintetizar aleaciones de CuPd mezcladas homogéneamente es conseguir el momento adecuado:los dos iones metálicos se transforman en estados atómicos a diferentes velocidades, provocando la separación de fases. Yamauchi y su equipo utilizaron los potentes rayos X del sincrotrón del Centro SPring-8 para caracterizar la estructura atómica de CuPd sintetizada con reactivos suaves o duros. Sus experimentos revelaron que un reactivo reductor relativamente fuerte llamado borohidruro de sodio dio aleaciones con una mezcla casi perfecta hasta dimensiones de nanoescala.
La mayoría de las síntesis de amoníaco utilizan gas hidrógeno producido a partir de combustibles fósiles, pero el uso de energía solar por parte de los investigadores evita esto. Descubrieron que depositando la nanoaleación sobre dióxido de titanio fotosensible (TiO 2 ) produjo un material capaz de convertir la radiación ultravioleta en electrones energéticos; Sucesivamente, estos electrones estimularon la generación de gas hidrógeno a partir de una simple solución de agua / metanol. Cuando agregaron iones de nitrato a esta mezcla, el CuPd / TiO 2 El catalizador convirtió casi el 80% en amoníaco, una notable selectividad química que los investigadores atribuyen a las altas concentraciones de hidrógeno reactivo producido fotocatalíticamente cerca de la superficie del CuPd.
Yamauchi confía en que este enfoque puede ayudar a reducir el impacto ecológico de muchas reacciones clásicas de hidrogenación química. “Teniendo en cuenta los problemas ambientales que enfrentamos, tenemos que pasar de la síntesis química con hidrógeno de origen fósil a otros procesos limpios, ”Ella dice.
