Un passo avanti nella produzione di ammoniaca alimentata dall'energia solare

Senza questa tecnologia chimica, nutrire il mondo così come lo conosciamo sarebbe quasi impossibile. Il processo Haber-Bosch, sviluppato più di un secolo fa, converte l'azoto presente nell'aria in ammoniaca, l'ingrediente chiave della maggior parte dei fertilizzanti sintetici. Oggi, circa la metà della produzione alimentare mondiale dipende dai fertilizzanti derivati dall'ammoniaca, rendendo il processo Haber-Bosch una delle innovazioni industriali più importanti nella storia dell'umanità.

Nonostante i suoi enormi benefici, il processo Haber-Bosch comporta un costo ambientale significativo. L'energia necessaria per produrre ammoniaca rappresenta circa l'1,2% delle emissioni globali di gas serra, spingendo i ricercatori di tutto il mondo a cercare metodi di produzione più puliti e sostenibili. Utilizzando le strutture metallo-organiche (MOF) come catalizzatori, gli scienziati hanno sviluppato un percorso alternativo e sostenibile per la sintesi dell'ammoniaca. I ricercatori della TU Wien hanno ora dimostrato che le strutture MOF possono essere specificamente ottimizzate per modulare le loro prestazioni catalitiche, fornendo preziose informazioni per la progettazione di tecnologie di produzione dell'ammoniaca più efficienti e sostenibili.

Il progetto di ricerca è stato condotto in collaborazione con team internazionali: importanti dati di misurazione sono stati forniti dal Virginia Tech negli Stati Uniti, mentre le simulazioni al computer sono state eseguite presso il Technion – Israel Institute of Technology.

Uno dei legami più forti in chimica

"Dobbiamo rompere uno dei legami più forti in chimica", afferma Jana Bischoff dell'Istituto di Chimica dei Materiali della TU Wien, prima autrice dello studio attuale. Nell’aria, l’azoto è presente sotto forma di molecole di N₂, in cui due atomi di azoto sono collegati da un legame triplo estremamente stabile. Per produrre ammoniaca (NH₃), questa molecola di N₂ deve prima essere attivata, consentendo agli atomi di azoto di reagire con l’idrogeno.

Nel processo Haber-Bosch, utilizzato da oltre 100 anni, ciò si ottiene utilizzando pressioni superiori a 150 bar e temperature di almeno 400 °C. Queste condizioni estreme rendono il processo altamente energivoro.

La natura lo fa in modo più delicato

In linea di principio, le molecole di azoto possono essere convertite in modo diverso, non con pressioni e temperature estreme, ma con l'aiuto di catalizzatori accuratamente progettati. La natura offre un modello: alcuni batteri utilizzano l'enzima nitrogenasi, che contiene ferro ed è in grado di legare le molecole di azoto e convertirle in condizioni moderate.

Qualcosa di simile si può ottenere con le strutture metallo-organiche, o MOF. Si tratta di materiali porosi in cui gli ioni metallici sono legati a specifici composti organici per formare una struttura più grande. «Come nella nitrogenasi naturale, anche noi utilizziamo il ferro nei nostri reticoli metallo-organici – un metallo relativamente economico e facilmente reperibile», afferma la dott.ssa Cornelia Baeckmann della TU Wien. «La domanda chiave della nostra ricerca era: come possiamo adattare i ligandi organici in modo che il materiale sia in grado di produrre ammoniaca?»

“Quando la luce viene assorbita da un framework metallo-organico, genera uno stato eccitato in cui la carica elettrica viene ridistribuita, in particolare verso i centri di ferro”, afferma il Prof. Dominik Eder (TU Wien): “I leganti organici circostanti modulano le proprietà del MOF e quindi la sua prestazione catalitica. “ In questo modo, influenzano la cinetica di trasferimento degli elettroni, la forza di legame dell’azoto e l’accessibilità dei protoni dall’acqua circostante per raggiungere il sito attivo. 

Una volta che una molecola di azoto si lega a un sito di ferro adatto, il suo triplo legame estremamente stabile si indebolisce e diventa più reattivo. La molecola può quindi essere gradualmente convertita in ammoniaca attraverso trasferimenti successivi di elettroni e protoni.

Un passo importante verso nuove tecnologie

“Abbiamo dimostrato che minime variazioni nei ligandi organici possono alterare notevolmente l’attività catalitica”, afferma Jana Bischoff. “Abbiamo studiato una serie di strutture metallorganiche contenenti diversi ligandi organici per comprendere come sia possibile regolare l’attività di produzione dell’ammoniaca.”

Il presente lavoro non rappresenta ancora il segnale di partenza per la produzione industriale di ammoniaca, ma è un passo importante in quella direzione. Le strutture metallorganiche (MOF) aprono nuove e promettenti strade verso la progettazione di catalizzatori su misura per processi energeticamente impegnativi e di importanza globale come la sintesi dell’ammoniaca.