Una pizca de átomos de rutenio en una malla de nanocables de cobre podría ser un paso hacia una revolución en la industria mundial del amoníaco que también ayuda al medio ambiente.

Los colaboradores de la Escuela de Ingeniería George R. Brown de la Universidad de Rice, la Universidad Estatal de Arizona y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico desarrollaron el catalizador de alto rendimiento que puede, con una eficiencia cercana al 100 %, extraer amoníaco y amoníaco sólido (también conocido como fertilizante) de niveles bajos de nitratos que están muy extendidos en aguas residuales industriales y aguas subterráneas contaminadas.

Un estudio dirigido por el ingeniero químico y biomolecular de Rice, Haotian Wang, muestra que el proceso convierte niveles de nitrato de 2000 partes por millón en amoníaco, seguido de un proceso de extracción de gas eficiente para la recolección de productos de amoníaco. El contenido de nitrógeno restante después de estos tratamientos puede reducirse a niveles "bebibles" según lo define la Organización Mundial de la Salud.

"Cumplimos con un proceso completo de desnitrificación del agua", dijo el estudiante graduado Feng-Yang Chen. "Con un mayor tratamiento del agua de otros contaminantes, potencialmente podemos convertir las aguas residuales industriales en agua potable".

Chen es uno de los tres autores principales del artículo que aparece en Nature Nanotechnology .

El estudio muestra una alternativa prometedora hacia procesos eficientes para una industria que depende de un proceso intensivo en energía para producir más de 170 millones de toneladas de amoníaco por año.

Los investigadores sabían por estudios anteriores que los átomos de rutenio son campeones en la catalización de aguas residuales ricas en nitratos. Su giro fue combinarlo con cobre que suprime la reacción de evolución del hidrógeno, una forma de producir hidrógeno a partir del agua que, en este caso, es un efecto secundario no deseado.

"Sabíamos que el rutenio era un buen metal candidato para la reducción de nitrato, pero también sabíamos que había un gran problema, que fácilmente podría tener una reacción competitiva, que es la evolución del hidrógeno", dijo Chen. "Cuando aplicábamos corriente, muchos de los electrones simplemente iban al hidrógeno, no al producto que queremos".

"Tomamos prestado un concepto de otros campos como la reducción de dióxido de carbono, que utiliza cobre para suprimir la evolución del hidrógeno", agregó Wang. "Entonces tuvimos que encontrar una manera de combinar orgánicamente rutenio y cobre. Resulta que dispersar átomos individuales de rutenio en la matriz de cobre funciona mejor".

El equipo utilizó los cálculos de la teoría funcional de la densidad para explicar por qué los átomos de rutenio hacen que el camino químico que conecta el nitrato y el amoníaco sea más fácil de cruzar, según el coautor Christopher Muhich, profesor asistente de ingeniería química en el estado de Arizona.

"Cuando solo hay rutenio, el agua se interpone", dijo Muhich. "Cuando solo hay cobre, no hay suficiente agua para proporcionar átomos de hidrógeno. Pero en los sitios individuales de rutenio, el agua no compite tan bien, ya que proporciona suficiente hidrógeno sin ocupar lugares para que el nitrato reaccione".

El proceso funciona a temperatura ambiente y bajo presión ambiental, y en lo que los investigadores llamaron una corriente de reducción de nitrato "industrialmente relevante" de 1 amperio por centímetro cuadrado, la cantidad de electricidad necesaria para maximizar la tasa de catálisis. Eso debería facilitar la ampliación, dijo Chen.

"Creo que esto tiene un gran potencial, pero se ha ignorado porque ha sido difícil para los estudios anteriores alcanzar una densidad de corriente tan buena y al mismo tiempo mantener una buena selectividad del producto, especialmente en concentraciones bajas de nitrato", dijo. "Pero ahora estamos demostrando precisamente eso. Confío en que tendremos oportunidades de impulsar este proceso para aplicaciones industriales, especialmente porque no requiere una gran infraestructura".

Un beneficio principal del proceso es la reducción de las emisiones de dióxido de carbono de la producción industrial tradicional de amoníaco. Estos no son insignificantes, ya que ascienden al 1,4 % de las emisiones anuales del mundo, anotaron los investigadores.

"Aunque comprendimos que la conversión de desechos de nitrato en amoníaco puede no ser capaz de reemplazar completamente la industria del amoníaco existente a corto plazo, creemos que este proceso podría hacer contribuciones significativas a la producción descentralizada de amoníaco, especialmente en lugares con fuentes altas de nitrato", dijo Wang. .

Junto con el nuevo estudio, el laboratorio de Wang y el del ingeniero ambiental de Rice, Pedro Álvarez, director del Centro de tratamiento de agua habilitado por nanotecnología (NEWT), publicaron recientemente un artículo en el Journal of Physical Chemistry C detallando el uso de nanopartículas de cobalto-cobre en un sustrato de papel de fibra de carbono 3D como un catalizador eficiente para sintetizar amoníaco a partir de la reducción de nitrato. Este catalizador de bajo costo también se mostró muy prometedor para la desnitrificación en aguas residuales. + Explora más

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