Un nuovo modo per produrre ammoniaca in modo più efficiente
Aumentando la produzione di ammoniaca, il prezzo dell'elettricità dall'idrogeno potrebbe diminuire
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L'ammoniaca è utilizzata nei fertilizzanti e in molti processi industriali. È anche considerata un modo promettente per immagazzinare e trasportare l'energia, poiché è più sicuro e più facile gestire l'ammoniaca rispetto all'idrogeno gassoso. Utilizzando il plasma, il quarto stato della materia, gli scienziati hanno creato un materiale che aumenta la produzione di ammoniaca.
"Se si ha bisogno di idrogeno industriale in un luogo diverso da quello in cui viene prodotto, sarà più facile e più sicuro trasportare l'idrogeno come ammoniaca e immagazzinarlo fino a quando non sarà necessario. L'ideale sarebbe decomporre l'ammoniaca dove l'idrogeno è necessario, su richiesta", ha dichiarato Emily Carter, consulente strategico senior e direttore associato del laboratorio per la direzione Applied Materials and Sustainability Sciences (AMSS) presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE).
(DOE) di Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). "Quindi, servono metodi per sintetizzare e decomporre l'ammoniaca da e verso l'idrogeno in modo efficiente ed economico, e noi stiamo lavorando su entrambe le cose al PPPL nella divisione di scienza dell'elettromanifattura dell'AMSS".
La ricerca è stata condotta da un team multidisciplinare di varie istituzioni, tra cui il PPPL del DOE e l'Oak Ridge National Laboratory, l'Università di Princeton, la Rutgers University e la Rowan University. Un articolo scientifico sul lavoro è stato recentemente pubblicato su ACS Energy Letters.
"L'attuale metodo di produzione dell'ammoniaca è costoso", ha dichiarato Zhiyuan Zhang, dottorando presso la Rutgers University-Newark e autore principale della ricerca. "È necessario un grande stabilimento per produrre l'ammoniaca utilizzando processi che richiedono temperature e pressioni estreme".
Immagazzinare e trasportare l'idrogeno come ammoniaca
L'ammoniaca può essere utilizzata come vettore per l'idrogeno, ovvero può immagazzinare e trasportare la sostanza chimica prima che venga convertita in idrogeno per produrre energia. L'idrogeno richiede grandi impianti di produzione e di stoccaggio. Questo nuovo metodo potrebbe creare l'ammoniaca in strutture molto più piccole, situate più vicino al luogo in cui è necessario, potenzialmente anche in loco. Se l'ammoniaca dovesse essere trasportata su lunghe distanze, anche questo sarebbe meno costoso.
"L'idrogeno ha una densità energetica molto bassa e spostarlo è estremamente difficile. L'ammoniaca ha una densità energetica più elevata, due volte superiore a quella dell'idrogeno compresso, e può essere trasportata su lunghe distanze con maggiore facilità rispetto all'idrogeno", ha dichiarato Yiguang Ju, ricercatore principale, direttore della ricerca fisica, responsabile della scienza dell'elettromanifattura presso la PPPL e professore dell'Università di Princeton. "Questo potrebbe aprire un cambiamento trasformativo nell'immagazzinamento dell'energia e nei trasporti".
PPPL: leader nelle simulazioni di plasma a bassa temperatura
Mark Martirez, vice consulente per la scienza della sostenibilità presso l'AMSS e fisico ricercatore, sta ora creando simulazioni di alcuni degli esperimenti descritti nel nuovo documento, in modo che il team possa comprendere appieno ciò che accade durante la reazione chimica a livello atomico. "Le simulazioni sono essenziali per comprendere appieno il meccanismo che la specie chimica subisce per produrre ammoniaca da acqua e azoto", ha detto Martirez. "Potevano solo indovinare le posizioni dei diversi atomi basandosi su un'immagine dell'esperimento". Martirez ha portato una rara comprensione della chimica quantistica coinvolta nel processo, che è ampiamente conosciuto come catalisi al plasma ed è un campo relativamente nuovo.
Invece di utilizzare il calore e la pressione elevati necessari per la catalisi termica - il vecchio approccio per produrre ammoniaca da idrogeno e azoto - il nuovo metodo utilizza elettricità, acqua, azoto e plasma a bassa temperatura. Nel plasma a bassa temperatura, le molecole prive di carica sono relativamente fredde o a temperatura ambiente. Tuttavia, gli elettroni sono molto caldi. Gli elettroni hanno un'energia sufficiente per modificare la superficie dei catalizzatori, eliminando alcuni atomi e impiantando atomi di azoto o idrogeno negli strati più esterni.
Un catalizzatore è un ingrediente che accelera le reazioni chimiche senza modificarle. Il catalizzatore utilizzato negli esperimenti ha una struttura unica, che consente trasformazioni chimiche più efficienti dal punto di vista energetico. Gli scienziati chiamano questa struttura "complesso interfacciale eterogeneo" (HIC).
"I catalizzatori, ossido di tungsteno e ossinitruro di tungsteno, non sono nuovi. Ciò che è nuovo è la struttura e il metodo al plasma per fabbricarli in modo controllabile e scalabile", ha dichiarato Huixin He, professore della Rutgers University e uno dei principali ricercatori della ricerca.
La struttura del catalizzatore è la chiave della sua efficienza
Il design speciale dell'HIC aiuta a creare atomi di idrogeno altamente attivi proprio dove sono necessari, formando piccoli vuoti, noti come "vacancies" di azoto, che si adattano perfettamente a una molecola di azoto. Queste caratteristiche lavorano insieme: Gli atomi di idrogeno convertono l'azoto in ammoniaca e i vuoti attirano altro azoto dall'aria per mantenere il processo. Questo metodo aumenta significativamente la quantità di ammoniaca prodotta rispetto ai metodi precedenti. Inoltre, riduce al minimo le reazioni collaterali indesiderate, come la creazione di idrogeno gassoso al posto dell'ammoniaca.
"Il processo di produzione di questo catalizzatore è stato ridotto da circa due giorni a 15 minuti", ha detto Zhang. Il processo ha anche superato altri metodi simili in termini di quantità di ammoniaca generata. I ricercatori continueranno a studiare modi per migliorare la produzione di ammoniaca con il catalizzatore HIC.
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Pubblicazione originale
Zhiyuan Zhang, Christopher Kondratowicz, Jacob Smith, Pavel Kucheryavy, Junjie Ouyang, Yijie Xu, Elizabeth Desmet, Sophia Kurdziel, Eddie Tang, Micheal Adeleke, Aditya Dilip Lele, John Mark Martirez, Miaofang Chi, Yiguang Ju, Huixin He; "Plasma-Assisted Surface Nitridation of Proton Intercalatable WO3 for Efficient Electrocatalytic Ammonia Synthesis"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-6-22
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