Amoníaco (NH3 ) se considera un prometedor portador de energía libre de carbono, pero su proceso de producción intensivo en energía aún desafía a los científicos globales. Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) diseñó recientemente una aleación bimetálica como un nanocatalizador ultrafino que puede ofrecer un rendimiento electroquímico muy mejorado para generar amoníaco a partir de nitrato (NO3 - ), que ofrece un gran potencial para la obtención de combustible neutro en carbono en el futuro.
Los hallazgos fueron publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. (PNAS ) bajo el título "Ingeniería del entorno de coordinación atómica de nanoestructuras de aleaciones bimetálicas para una electrosíntesis eficiente de amoníaco a partir de nitrato".
El amoníaco, que se utiliza comúnmente en fertilizantes, ha atraído recientemente mucha atención porque puede proporcionar una fuente de hidrógeno para las pilas de combustible y es más fácil de licuar y transportar que el hidrógeno. Debido a su enorme demanda, el reciclaje de nitrato (NO3 - ) de aguas residuales contaminadas con fertilizantes de amonio ha surgido como una alternativa para reproducir el valioso amoníaco y hacer que la agricultura sea más sostenible.
Actualmente, la reacción electroquímica de reducción de nitrato (NO3 RR) se considera una solución prometedora para la síntesis de amoníaco. Comprende principalmente pasos de desoxigenación e hidrogenación (es decir, NO3 - +9H + + 8e - ➙NH3 +3H2 O) con electrocatalizadores de base metálica.
"Sin embargo, los subproductos no deseados y la reacción competitiva de evolución de hidrógeno (HER) durante el NO3RR aparentemente dificultan la tasa de rendimiento de la producción de amoníaco", afirmó el profesor Fan Zhanxi, del Departamento de Química de CityU, quien dirigió el estudio.
En lugar de modular el tamaño o la dimensión de los electrocatalizadores, como lo hicieron otras investigaciones anteriores, el equipo del profesor Fan se centró en mejorar los sitios activos, donde se unen las moléculas de sustrato y se produce la catálisis en la superficie de los electrocatalizadores.
"El rutenio (Ru) es un material emergente como electrocatalizador de NO3 RR, pero también tiene el problema de favorecer a HER, lo que lleva a que sus sitios activos estén altamente ocupados por hidrógeno activo no deseado, dejando un área insuficiente para la reducción de nitrato a amoníaco", explicó el profesor Fan.
Para superar los desafíos, el equipo introdujo otro metal, el hierro (Fe), para modular el entorno de coordinación atómica de los sitios activos. Al cambiar el entorno de coordinación de los sitios de Ru, se optimizan las estructuras electrónicas y las propiedades superficiales del Ru y, por tanto, su actividad catalítica para producir amoníaco. Para mejorar aún más el rendimiento del electrocatalizador, el equipo desarrolló un enfoque de síntesis en un solo recipiente para fabricar nanoláminas ultrafinas que se ensamblan como una estructura similar a una flor, llamadas nanoflores RuFe.
Esta novedosa aleación bimetálica hecha electrocatalizador posee una estructura electrónica altamente estable debido a los orbitales complementarios que alcanzan una eficiente transferencia de electrones y estados de valencia robustos, lo que también suprime el HER competitivo y reduce las barreras energéticas para el NO3. RR. Además, los sitios de superficie electroquímicamente activos de las nanoflores de RuFe midieron 267,5 cm 2 , mucho más grande que el de 105 cm 2 para Ru-nanosheets para que se produzcan las reacciones.
Sorprendentemente, las nanoflores de RuFe demostraron un rendimiento electroquímico mucho mejor, con una excelente eficiencia de transferencia de carga, conocida como eficiencia faradaica (FE), del 92,9 % y una tasa de rendimiento de 38,68 mg h −1 . mgcat −1 a −0,30 y −0,65 V para la producción de amoníaco, que es casi 6,9 veces mayor que la de las únicas Ru-nanosheets.
"Esta investigación indica un gran potencial para las nanoflores de RuFe en sistemas de energía electroquímica de próxima generación", afirmó el profesor Fan. "Creemos que este trabajo puede estimular estudios de seguimiento sobre la modulación del entorno de coordinación atómica de los sitios activos en catalizadores a base de metales para la producción de amoníaco, promoviendo aún más un ciclo sostenible del nitrógeno para lograr energía libre de carbono en el futuro".
Más información: Yunhao Wang et al, Ingeniería del entorno de coordinación atómica de nanoestructuras de aleaciones bimetálicas para una electrosíntesis eficiente de amoníaco a partir de nitrato, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2306461120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por la Universidad de la ciudad de Hong Kong
