Inspirándose en la naturaleza, el equipo de investigación desarrolló un fotocatalizador de estructura metalorgánica a base de porfirina metalizada con hierro. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Amoníaco (NH3 ) es un componente importante de los fertilizantes y un prometedor portador de energía libre de carbono. Sin embargo, la producción de amoníaco consume alrededor del 2 por ciento de la producción total de energía del mundo y libera 500 Mt de dióxido de carbono al año. Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) desarrolló un nuevo tipo de fotocatalizador que puede producir amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico a temperatura ambiente utilizando la luz solar. Este nuevo método superó a la forma convencional que provoca emisiones masivas de carbono. El equipo de investigación creía que dicha tecnología de producción sostenible de amoníaco impulsaría el desarrollo de la futura economía del nitrógeno.
Esta investigación fue dirigida por el profesor Leung Kwok Hi Michael, el profesor de energía y medio ambiente del Shun Hing Education and Charity Fund y el profesor asistente Dr. Shang Jin, ambos de la Escuela de Energía y Medio Ambiente (SEE) de CityU, así como un académico de Australia. Sus hallazgos fueron publicados en la revista científica ACS Nano bajo el título "Sitio de metal de hierro disperso atómicamente en un marco orgánico de metal a base de porfirina para la fijación de nitrógeno fotocatalítico".
Amoníaco:un combustible emergente que podría reemplazar al petróleo y al carbón en la generación de electricidad
El amoníaco es un componente esencial de los alimentos y fertilizantes. La mayor parte del amoníaco artificial se utiliza para producir fertilizantes para la agricultura. El amoníaco también es un químico importante con una amplia gama de usos industriales, desde la producción de detergentes hasta refrigerantes. Más importante aún, el amoníaco ha atraído mucha atención en los últimos años porque proporciona una fuente de hidrógeno para las celdas de combustible y es más fácil de licuar y transportar que el hidrógeno. Además, el amoníaco en sí mismo puede servir como combustible para la generación de energía distinta del petróleo y el carbón. Así que hay una gran demanda para producir amoníaco.
El equipo desarrolla un fotocatalizador para producir amoníaco después de lograr la fijación artificial de nitrógeno impulsada por la luz solar y utilizando agua como agente reductor, a temperatura y presión ambiente. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Método de producción actual:Nocivo para el medio ambiente
La "fijación" de nitrógeno es un paso importante antes de producir amoníaco. Aunque el 80 por ciento de la atmósfera consiste en nitrógeno, este nitrógeno "libre" no puede utilizarse hasta que se convierta en compuestos que contengan nitrógeno. Este proceso de conversión se denomina "fijación de nitrógeno".
La fijación de nitrógeno se puede realizar de forma natural o artificial. La forma artificial generalmente se refiere al proceso industrial Haber-Bosch a temperatura y presión elevadas, que utiliza hierro como catalizador para producir amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno. Hoy en día, la producción de amoníaco depende en gran medida del proceso Haber-Bosch, pero no es sostenible porque consume una gran cantidad de combustibles fósiles y provoca emisiones masivas de dióxido de carbono.
Para buscar una forma sostenible de producir amoníaco, el profesor Leung y el Dr. Jin reúnen a sus equipos para desarrollar un enfoque para la fijación de nitrógeno en condiciones ambientales utilizando agua y energía renovable. El mayor desafío para el equipo conjunto fue crear un catalizador que permitiera la desafiante reacción de varios pasos de la fijación de nitrógeno.
Esta figura demuestra cómo el nuevo fotocatalizador desencadena la reacción de reducción de nitrógeno y produce amoníaco. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Nuevo fotocatalizador biomimético
En la naturaleza, el hierro en la nitrogenasa (un tipo de enzima) se une favorablemente y activa el nitrógeno, y la porfirina (un tipo de compuesto orgánico) en la clorofila cosecha la luz solar de manera efectiva. Inspirándose en los mecanismos naturales anteriores, el equipo desarrolló un fotocatalizador de estructura metalorgánica (MOF) a base de porfirina metalizada con hierro.
Este fotocatalizador biomimético, de tan solo 15 a 25 nm de espesor, puede producir amoníaco tras lograr una fijación artificial de nitrógeno impulsada por la luz solar y utilizando agua como agente reductor, a temperatura y presión ambiente.
El equipo utilizó MOF en este fotocatalizador porque proporcionó más sitios activos en la superficie para la adsorción y activación del nitrógeno. Por lo tanto, se mejora la eficiencia de la reacción de reducción de nitrógeno.
El equipo llevó a cabo experimentos con este fotocatalizador y demostró que se podía producir amoníaco. "Desarrollamos un nuevo fotocatalizador capaz de lograr el mejor rendimiento de fijación de nitrógeno fotocatalítico en la categoría de fotocatalizadores basados en MOF. Presenta uno de los mayores rendimientos de amoníaco y la mejor estabilidad hidrolítica en MOF", dijo el profesor Leung. Una buena estabilidad hidrolítica significa que el fotocatalizador debe usarse repetidamente.
A través de esta investigación, el equipo exploró la reacción de reducción de nitrógeno fotocatalítica en su fotocatalizador biomimético. El Dr. Shang señaló que el nuevo conocimiento obtenido de este trabajo guiaría el diseño racional de fotocatalizadores basados en MOF de próxima generación. Creía que sus hallazgos liberarían el potencial para desarrollar varios MOF basados en porfirina como fotocatalizadores para diversas aplicaciones energéticas y medioambientales.
El equipo esperaba que este estudio pionero inspirara a los científicos e ingenieros en el campo de la catálisis a explorar y desarrollar fotocatalizadores biomiméticos basados en MOF para catalizar otras reacciones químicas a temperatura y presión ambiente, sin limitarse a la fijación artificial de nitrógeno.
"Producir energía y productos químicos básicos a través de procesos libres de combustibles fósiles es ideal para lograr la neutralidad de carbono. Esta investigación desarrolló una tecnología para producir amoníaco a partir de nitrógeno atmosférico y agua mediante la recolección de luz solar. Obtuvimos energía libre de carbono de manera sostenible", concluyó el profesor Leung. El equipo creía que sus hallazgos ayudarían a mitigar la crisis energética y los problemas ambientales cada vez más apremiantes. La nueva alquimia en carbono neutralidad:Convertir el agua en amoníaco solo con energía renovable
