La urea es un elemento fundamental que se encuentra en todo, desde fertilizantes hasta productos para el cuidado de la piel. Producción a gran escala de urea, que es naturalmente un producto de la orina humana, es una empresa masiva, que representan aproximadamente el 2% del uso de energía y las emisiones mundiales en la actualidad.

Por décadas, Los científicos e ingenieros han tratado de hacer que este proceso sea más eficiente desde el punto de vista energético a medida que aumenta la demanda de fertilizantes con el aumento de la población. Un equipo de investigación internacional que incluye a científicos e ingenieros de la Universidad de Texas en Austin ha ideado un nuevo método para fabricar urea que es más respetuoso con el medio ambiente que el proceso actual y produce lo suficiente para ser competitivo con los métodos industriales de uso intensivo de energía.

La fabricación de urea en la actualidad implica un proceso térmico de dos pasos que requiere altos niveles de calor y presión en entornos hostiles controlados. Pero este nuevo proceso requiere solo un paso y se basa en un concepto llamado electrocatálisis que usa electricidad, y potencialmente luz solar, para desencadenar reacciones químicas en una solución a temperatura ambiente en condiciones ambientales.

"En todo el mundo necesitamos reducir las emisiones. Por eso queremos desarrollar estas vías más sostenibles para producir urea mediante electrocatálisis en lugar de este proceso de dos pasos que consume mucha energía, "dijo Guihua Yu, profesor asociado de ciencia de los materiales en el Departamento de Ingeniería Mecánica Walker de la Escuela de Ingeniería Cockrell, que codirigió el equipo que publicó un nuevo documento histórico sobre el proceso en Sostenibilidad de la naturaleza .

Hoy dia, La urea sintética se produce principalmente mediante el método Haber-Bosch, que se conoce como uno de los mayores inventos del siglo XX porque permitió la producción masiva de fertilizantes y ayudó a aumentar el suministro mundial de alimentos. Combina nitrógeno e hidrógeno para producir amoníaco, que luego se une con el dióxido de carbono para producir urea. Este proceso de dos pasos requiere calentar a 400 o 500 grados Fahrenheit para realizar la reacción, utilizando grandes cantidades de energía y produciendo importantes emisiones en el camino.

La producción de urea mediante electrocatálisis es un proceso alternativo que es más sostenible y energéticamente eficiente. Sin embargo, este método históricamente no ha producido lo suficiente para hacerlo viable. Creó demasiados subproductos y requirió mucha energía para romper los enlaces de los bloques de construcción moleculares para desencadenar la reacción.

Encontrar los elementos o catalizadores adecuados para crear una reacción química eficiente fue el principal desafío. El equipo de UT usó nitrato, en lugar del nitrógeno típico, para unirse con dióxido de carbono. Y la solución de catalizador está compuesta de nanomateriales de hidróxido de indio.

Este electrocatalizador de nanomateriales altamente eficiente tiene "alta selectividad, "Yu dijo, lo que significa que produce solo lo que los investigadores quieren que produzca, no un montón de subproductos. Y crea un mayor rendimiento de urea que los intentos anteriores con electrocatálisis.

"Se necesita mucha menos energía para romper los enlaces de los nitratos, en comparación con el nitrógeno, y eso ayuda a producir un rendimiento mucho mayor de urea, "Dijo Yu.

Yu considera que esta fórmula es aplicable a usos a gran y pequeña escala. Los dispositivos electrocatalíticos podrían ser operados por individuos y vendidos a granjas individuales para que pudieran generar su propia urea para el suelo. Y la esperanza es proporcionar soluciones alternativas a los procesos industriales a gran escala para reducir el uso de energía, que puede desempeñar un papel en un futuro más sostenible, ya que la población y la demanda de urea seguramente crecerán.

Los siguientes pasos en este proceso implican mejorar aún más el rendimiento y la selectividad, así como un dispositivo prototipo que puede aumentar la producción. Y el equipo de investigación está tratando de encontrar una forma de impulsar el proceso utilizando energía solar en lugar de electricidad directa.