Produzione sostenibile ed efficiente di ammoniaca e acido formico
Catalizzatore a tre componenti sviluppato per l'elettrolisi pulsata
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Un team di ricerca guidato dal dottor Dandan Gao del Dipartimento di Chimica dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU) ha sviluppato un nuovo metodo per la produzione sostenibile di ammoniaca e acido formico. L'ammoniaca è indispensabile nell'agricoltura moderna e, come l'acido formico, è un'importante materia prima per l'industria. Tradizionalmente viene prodotta con il processo Haber-Bosch, che è estremamente dispendioso in termini energetici e provoca notevoliemissioni di CO2. È anche possibile produrre ammoniaca tramite elettrolisi, cioè con l'aiuto dell'elettricità, ma si tratta di un campo di ricerca ancora giovane. L'elettrolisi offre un'alternativa sostenibile per la produzione, perché può essere alimentata da elettricità verde. "Siamo riusciti a raggiungere tre punti chiave", spiega Gao: "In primo luogo, abbiamo sviluppato un catalizzatore composto da rame, nichel e tungsteno che aumenta significativamente la resa di ammoniaca durante l'elettrolisi. In secondo luogo, siamo riusciti ad aumentare ancora una volta la resa utilizzando un'elettrolisi pulsata anziché statica. Infine, abbiamo prodotto acido formico come ulteriore prodotto all'interno del processo elettrochimico accoppiato". Il team guidato da Gao e dai suoi colleghi Christean Nickel e David Leander Troglauer ha pubblicato il nuovo metodo questa settimana sulla rinomata rivista scientifica Angewandte Chemie.
Nuovo design del catalizzatore
I ricercatori hanno sviluppato un nuovo elettrocatalizzatore tandem a tre componenti per rendere il più efficiente possibile la riduzione elettrochimica standard del nitrato in ammoniaca. "Abbiamo scelto rame, nichel e tungsteno per i seguenti motivi", spiega Gao: "Per produrre ammoniaca dal nitrato, l'ossigeno deve essere prima rimosso dal nitrato - catalizzato dal rame. Poi si deve produrre idrogeno, ed è qui che il nichel entra in gioco come catalizzatore. Ora l'idrogeno non deve sfuggire all'aria o reagire in altro modo, ma deve essere legato selettivamente all'azoto: Questo è il compito del tungsteno. Rispetto ai catalizzatori tandem di rame e nichel, che erano già considerati promettenti, il nostro catalizzatore raggiunge una resa in ammoniaca superiore di oltre il 50%", afferma Gao.
Elettrolisi pulsata anziché statica
L'uso dell'elettrolisi pulsata al posto di quella statica aumenta la resa di un ulteriore 17%. Il set-up è identico in entrambi i casi. L'unica differenza è la tensione elettrica applicata agli elettrodi. Nell'elettrolisi statica è costante, mentre nell'elettrolisi pulsata alterna costantemente due valori di tensione.
Produzione aggiuntiva di acido formico
In ogni elettrolisi, non solo avviene una reazione di riduzione al catodo, ma anche una reazione di ossidazione all'anodo. "Normalmente si tratta di un'ossidazione dell'acqua che produce ossigeno", spiega Gao. Tuttavia, l'ossigeno non è prezioso né richiesto dall'industria. Nel nuovo metodo, i ricercatori sostituiscono quindi l'ossidazione dell'acqua e ossidano il glicerolo, un prodotto di scarto della produzione di biodiesel. In questo modo si ottiene l'acido formico, utilizzato nell'industria in vari modi, ad esempio come materiale di partenza per prodotti chimici e farmaceutici. "In questo modo, possiamo ottenere due prodotti preziosi in una sola volta: Ammoniaca dal catodo e acido formico dall'anodo", spiega Gao. "L'accoppiamento strategico delle due reazioni sottolinea il potenziale del metodo per produrre in modo sostenibile sostanze chimiche di valore aggiunto attraverso un'elettrolisi accoppiata efficiente dal punto di vista energetico".
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Pubblicazione originale
Christean Nickel, David Leander Troglauer, Chia‐Yu Chang, Tiansheng Bai, Tobias Rios‐Studer, Ingo Lieberwirth, Kevin Sowa, Boris Mashtakov, Bahareh Feizi Mohazzab, Lijie Ci, Deping Li, Xiaohang Lin, Bing Joe Hwang, Rongji Liu, Dandan Gao; "Sustainable Ammonia Electrosynthesis Coupled With Glycerol Valorization via an Adaptive Tri‐Component Catalyst"; Angewandte Chemie International Edition, 2026-2
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