Un paso adelante en la producción sostenible de amoniaco

Autor: Juan M. Coronado

La producción de amoniaco es posiblemente una de las mayores historias de éxito de la catálisis heterogénea, ya que este proceso ha sufrido pocos cambios desde su desarrollo industrial por Carl Bosch a partir del proceso catalítico de Fritz Haber hace más de un siglo. Esta ruta para la conversión del nitrógeno atmosférico ha hecho posible la producción masiva de fertilizantes (y también de explosivos), transformando la agricultura e incrementando la producción de alimentos. Un dato que pone de manifiesto la importancia de esta reacción es que se estima que hasta un 50% del nitrógeno presente en nuestro cuerpo ha sido previamente procesado en una planta de amoniaco. Sin embargo, el proceso Haber-Bosch requiere unas condiciones de operación extremas para alcanzar la eficiencia necesaria, con presiones de en el intervalo de 100 a 250 atmósferas y temperaturas de 450-600 ºC. Como consecuencia la producción de amoniaco presenta una considerable demanda energética y, teniendo en cuenta la enorme magnitud de su volumen de producción, se ha estimado que esta industria por si sola es responsable de algo menos del 2 % del consumo energético mundial, y genera el 1.6 % de las emisiones globales de CO2. Este hecho, junto el creciente interés en emplear el amoniaco para el almacenamiento de energía está incentivando el desarrollo de vías alternativas de síntesis que permitan incorporar las energías renovables en el proceso. Sin embargo, la fortaleza extrema del triple enlace (N≡N, 941 kJ.mol-1) que caracteriza a la molécula de N2 constituye una importante barrera para conseguir su activación de manera eficiente en condiciones más suaves.

Entre las distintas alternativas propuestas, la fotocatálisis proporciona una vía potencial para usar directamente la luz solar, mediante un semiconductor con las características electrónicas adecuadas para producir amoniaco en condiciones atmosféricas, empleando únicamente N2 y agua como agente reductor. Si la eficiencia de la fotocatálisis pudiera alcanzar valores suficientemente elevados, esta tecnología supondría un cambio de paradigma, ya que facilitaría una producción sostenible y distribuida de amoniaco. A pesar del evidente interés de esta ruta desde un punto de vista energético, su desarrollo se ha visto limitado por el reducido rendimiento alcanzado hasta la fecha, que hace inviable su aplicación práctica. No obstante, la investigación continúa, y poco a poco se van obteniendo mejoras significativas que permiten albergar la esperanza de que la conversión fotocatalítica de N2 pueda ser competitiva en el futuro.

En este sentido un grupo de investigadores de la Academia China de Ciencias en Beijing, en colaboración con las Universidad de Auckland (Nueva Zelanda) han propuesto recientemente el empleo de fotocatalizadores nanoestructurados basados en nanopartículas de Cu2O sintetizadas sobre hidróxidos dobles laminares (LDH) de Zn y Al para mejorar la eficiencia en la síntesis de amoniaco empleando únicamente luz visible para la activación del N2. La clave de esta mejora es la obtención de partículas de Cu2O con dimensiones muy reducidas (3 nm) mediante un proceso de reducción suave y controlada del precursor sólido con ácido ascórbico. De esta manera se consigue incrementar la densidad de los centros superficiales adecuados para la adsorción de N2, al mismo que se facilita la captura de los electrones fotogenerados que precisa la reducción de esta molécula. A pesar de estas mejoras, la máxima producción de amoniaco con estos novedosos fotocatalizadores (4.10 mmol.gCu2O.h-1, equivalente a un rendimiento cuántico de 0.14 %) está todavía muy alejada de los umbrales necesarios para una producción a gran escala, pero el empleo de estos nuevos fotocatalizadores sin duda abren una nueva y prometedora línea de investigación.

Referencias

 J. A. Faria, Renaissance of Ammonia Synthesis for Sustainable Production of Energy and Fertilizers. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry, https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2021.100466.

S. Zhang, Y. Zhao, R. Shi, C. Zhou, G. I. N. Waterhouse, Z. Wang, Y. Weng, T. Zhang, Sub-3 nm Ultrafine Cu2O for Visible Light Driven Nitrogen Fixation. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2554–2560. doi.org/10.1002/anie.202013594

Contacto

Juan M. Coronado, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica – CSIC

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