Un modo più rispettoso del clima per produrre fertilizzanti azotati
L'ammoniaca può essere prodotta a partire dall'acqua e dall'azoto gassoso utilizzando l'energia elettrica prodotta da fonti solari ed eoliche
L'umanità ha un appetito insaziabile per l'ammoniaca: questa sostanza viene utilizzata per produrre fertilizzanti, che a loro volta sono utilizzati nella maggior parte dell'agricoltura moderna. Finora, il processo Haber-Bosch è stato il metodo preferito per estrarre l'azoto dall'atmosfera, apparentemente inesauribile, e legarlo sotto forma di ammoniaca. Tuttavia, questo metodo richiede una quantità estremamente elevata di gas metano e di energia. Il Prof. Nikolay Kornienko dell'Università di Bonn ha scoperto un'alternativa più rispettosa del clima per produrre ammoniaca da fonti di energia rinnovabili. Il team di ricerca presenta ora i suoi risultati sulla rivista Nature Communications.
Come nel giardino dell'Eden: Grano, barbabietole e patate devono germogliare il più rigogliosamente possibile, in modo che i piatti siano ben riempiti. Ciò è garantito da una concimazione regolare, soprattutto con l'azoto. Una fonte di nutrienti che sembra non esaurirsi mai. All'inizio del XX secolo, Fritz Haber e Carl Bosch svilupparono un processo che estraeva l'azoto dall'aria, apparentemente inesauribile. Questo risultato valse loro il Premio Nobel per la Chimica nel 1918.
Utilizzando un catalizzatore a base di ferro, una pressione molto elevata e temperature fino a 500 gradi Celsius, il processo Haber-Bosch lega l'azoto dell'aria all'idrogeno, producendo ammoniaca. Per inciso, anche alcune piante padroneggiano l'arte di legare l'azoto atmosferico con minuscoli batteri nelle loro radici e renderlo disponibile per la loro crescita. Tuttavia, le piante verdi lo fanno in modo neutrale per il clima, mentre gli esseri umani non sono ancora riusciti a farlo.
"Il processo Haber-Bosch è estremamente dispendioso dal punto di vista energetico", spiega il Prof. Dr. Nikolay Kornienko dell'Istituto di Chimica Inorganica dell'Università di Bonn. La produzione di ammoniaca si basa prevalentemente su combustibili fossili, il che significa che le emissioni di gas serra sono di conseguenza elevate. "Per raggiungere l'obiettivo di una società sostenibile e neutrale dal punto di vista climatico, la ricerca di processi alternativi di sintesi dell'ammoniaca è una priorità", afferma Kornienko, che è anche membro dell'area di ricerca transdisciplinare "Matter" dell'Università di Bonn.
Fertilizzante azotato dal sole e dal vento
Metodi alternativi? Sono stati sperimentati da tempo. L'obiettivo è quello di sostituire la sintesi dell'ammoniaca di Haber-Bosch con un processo che utilizzi energia rinnovabile proveniente da fonti come il sole e il vento. L'idrogeno necessario non proverrebbe più dal gas metano, ma sarebbe ottenuto direttamente dalla scissione elettrica dell'acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2). Sembra semplice? Non lo è. Chiunque voglia produrre ammoniaca su larga scala utilizzando l'energia eolica e solare deve superare una serie di insidie nei percorsi di reazione chimica.
"La reazione di riduzione dell'azoto mediata dal litio (LiNRR) è considerata il metodo più robusto per elettrificare la sintesi dell'ammoniaca", spiega Hossein Bemana, autore principale dello studio. In questo sistema, gli ioni di litio (Li+) vengono ridotti elettrochimicamente a uno strato di litio metallico. Questo metallo di litio può quindi reagire con l'azoto gassoso (N2) per formare un composto litio-azoto. Se è disponibile una fonte di idrogeno, il composto litio-azoto viene convertito in ammoniaca (NH3) e ioni di litio disciolti. Poi il processo ricomincia da capo. Questa è almeno la teoria.
"In generale consideriamo questo sistema come un modello per il momento, perché ci sono diverse difficoltà pratiche", dice Kornienko. Poiché è necessaria un'alta tensione per ridurre gli ioni di litio in litio metallico, l'efficienza energetica è limitata a circa il 25%. Inoltre, il sistema deve funzionare in un ambiente privo di aria e acqua, poiché il litio metallico è altamente reattivo. Un'altra sfida è rappresentata dal fatto che, come nelle batterie, sullo strato di litio cresce un'interfase porosa di elettrolita solido (SEI). Questo strato deve consentire il passaggio di azoto e idrogeno come reagenti del litio.
Si sacrifica la cosa sbagliata
Idealmente, l'idrogeno deriverebbe direttamente dalla scissione dell'acqua. Tuttavia, in questo sistema, come fonte di idrogeno vengono solitamente utilizzati gli alcoli. In alcuni casi, anche il solvente si decompone e funge da fonte di idrogeno. "Questo rende il sistema poco pratico, poiché per produrre ammonio è necessario sacrificare diverse molecole di alcol o di solvente", spiega il chimico.
Tuttavia, i ricercatori hanno trovato un modo per estrarre l'idrogeno direttamente dalla scissione dell'acqua e trasferirlo all'azoto. Hanno utilizzato un foglio di palladio (Pd) sia come elettrodo che come membrana. "Il palladio può fungere da membrana perché permette il passaggio degli atomi di idrogeno", riferisce Kornienko. Nell'esperimento, la lamina di Pd ha separato un ambiente di reazione anidro, in cui avvengono le reazioni LiNRR, da un ambiente di reazione a base di acqua. "Alla fine, siamo stati in grado di estrarre gli atomi di idrogeno per via elettrochimica direttamente dall'acqua e di trasferirli al materiale reattivo litio/litio-azoto per produrre ammoniaca", spiega il chimico.
I ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia a infrarossi e la spettrometria di massa per verificare che il processo funzioni davvero come previsto. Hanno utilizzato un isotopo pesante dell'idrogeno (deuterio = D) come fonte di acqua e hanno prodotto ND3 invece di NH3. Al contrario, i ricercatori hanno etichettato tutte le molecole nel compartimento LiNRR con D invece che con H - come desiderato, in questo caso è stato prodotto NH3 e non ND3 come in precedenza.
I ricercatori depositano una domanda di brevetto
Hossein Bemana e Nikolay Kornienko hanno già presentato una domanda di brevetto per questo processo. Per produrre ammoniaca (NH3), il team di ricerca ha utilizzato solo l'elettricità per i suoi esperimenti. Tuttavia, c'è ancora molta strada da fare prima che il fertilizzante azotato desiderato possa essere prodotto economicamente da fonti di energia rinnovabili. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati dovrebbero ottenere un rendimento 1.000 volte superiore a quello degli esperimenti attuali. "Siamo ancora nelle fasi iniziali", afferma il chimico. "In generale, la ricerca deve essere fatta sui tassi di reazione e sulla selettività del sistema - il controllo degli elettroni verso l'obiettivo desiderato".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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