Ci sono buone probabilità che tu debba la tua esistenza al processo Haber-Bosch.
Questa reazione chimica industriale tra idrogeno e azoto produce ammoniaca, l’ingrediente chiave dei fertilizzanti sintetici che forniscono gran parte dell’approvvigionamento alimentare mondiale e hanno consentito l’esplosione demografica del secolo scorso.
Potrebbe anche minacciare l’esistenza delle generazioni future. Il processo consuma circa il 2% della fornitura energetica totale mondiale e l’idrogeno necessario per la reazione proviene principalmente da combustibili fossili.
Prendendo ispirazione dal modo in cui la natura, compresi i fulmini, produce ammoniaca, un team guidato dall’Università di Buffalo ha sviluppato un reattore che produce il prodotto chimico dall’azoto presente nell’aria e nell’acqua, senza alcuna impronta di carbonio.
Questo reattore elettrochimico al plasma, descritto in uno studio pubblicato dal Giornale dell’American Chemical Society, può sostenere un elevato tasso di produzione di ammoniaca di circa 1 grammo al giorno per oltre 1.000 ore a temperatura ambiente e lo fa direttamente dall’aria.
I ricercatori affermano che si tratta di un progresso significativo verso la sintesi dell’ammoniaca verde con un tasso di produzione competitivo a livello industriale e stabilità di reazione.
“L’ammoniaca è spesso considerata la sostanza chimica che nutre il mondo, ma dobbiamo anche affrontare la consapevolezza che il processo Haber-Bosch non è stato modernizzato dalla sua invenzione 100 anni fa. Utilizza ancora un processo ad alta temperatura e alta pressione, e genera una grande impronta di carbonio, rendendolo insostenibile a lungo termine”, afferma l’autore corrispondente dello studio, Chris Li, PhD, assistente professore di chimica presso l’UB College of Arts and Sciences. “Il nostro processo richiede solo aria e acqua e può essere alimentato da elettricità rinnovabile.”
Imitando il ciclo dell’azoto naturale
La natura ha il suo modo di produrre fertilizzante.
Nella fissazione dell’azoto, l’energia elettrica di un fulmine rompe le molecole di azoto nell’atmosfera per formare diverse specie di ossido di azoto. Dopo essere caduti sotto forma di acqua piovana, gli ossidi di azoto vengono convertiti in ammoniaca dai batteri presenti nel terreno, fornendo alle piante sostanze nutritive.
Nel reattore a due fasi del team guidato dall’UB, il ruolo del fulmine viene sostituito dal plasma e il ruolo dei batteri viene sostituito da un catalizzatore di rame-palladio.
“Il nostro reattore al plasma converte l’aria umidificata in frammenti di ossido di azoto, che vengono poi collocati in un reattore elettrochimico che utilizza il catalizzatore rame-palladio per convertirli in ammoniaca”, afferma Li.
Fondamentalmente, il catalizzatore è in grado di adsorbire e stabilizzare i numerosi intermedi del biossido di azoto creati dal reattore al plasma. L’algoritmo della teoria dei grafi del team ha identificato che la maggior parte dei composti dell’ossido di azoto devono passare attraverso l’ossido nitrico o l’ammina come passaggio intermedio prima di diventare ammoniaca. Ciò ha permesso al team di progettare in modo intelligente un catalizzatore che si lega favorevolmente con questi due composti.
“Quando l’energia del plasma o un fulmine attivano l’azoto, si genera una zuppa di composti di ossido di azoto. Convertire simultaneamente, nel nostro caso, fino a otto diversi composti chimici in ammoniaca è incredibilmente difficile”, afferma Xiaoli Ge, il primo autore dello studio e un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Li. “La teoria dei grafici ci consente essenzialmente di mappare tutti i diversi percorsi di reazione e quindi identificare una sostanza chimica che costituisce il collo di bottiglia. Quindi ottimizziamo il nostro reattore elettrochimico per stabilizzare la sostanza chimica del collo di bottiglia, in modo che tutti i diversi intermedi vengano conferiti selettivamente nell’ammoniaca.”
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Il team di Li sta attualmente ampliando il proprio reattore e sta esplorando sia una startup che partnership con l’industria per aiutarlo a commercializzarlo. Il Technology Transfer Office della UB ha depositato una domanda di brevetto sul reattore e sui metodi per il suo utilizzo.
Oltre la metà dell’ammoniaca mondiale è prodotta da quattro paesi – Cina, Stati Uniti, Russia e India – mentre molti paesi in via di sviluppo non sono in grado di produrne uno proprio. Mentre il processo Haber-Bosch deve essere condotto su larga scala in una centrale elettrica centralizzata, Li afferma che il loro sistema può essere realizzato su scala molto più piccola.
“Potete immaginare i nostri reattori in qualcosa di simile a un container di medie dimensioni con pannelli solari sul tetto. Questo può quindi essere posizionato ovunque nel mondo e generare ammoniaca su richiesta per quella regione”, dice. “Questo è un vantaggio davvero interessante del nostro sistema e ci consentirà di produrre ammoniaca per le regioni sottosviluppate con accesso limitato al processo Haber-Bosch.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com