Un metodo più pulito per produrre ammoniaca

Un metodo più pulito per produrre ammoniaca
Un metodo più pulito per produrre ammoniaca

Gli scienziati del Berkeley Lab hanno sviluppato un modo nuovo e più pulito per produrre ammoniaca che funziona a temperatura e pressione ambiente.

L’ammoniaca è il punto di partenza dei fertilizzanti che hanno assicurato l’approvvigionamento alimentare mondiale nell’ultimo secolo. È anche un componente principale dei prodotti per la pulizia ed è addirittura considerato un futuro sostituto senza emissioni di carbonio dei combustibili fossili nei veicoli. Ma sintetizzare l’ammoniaca dall’azoto molecolare è un processo industriale ad alta intensità energetica, a causa delle elevate temperature e pressioni alle quali avviene la reazione standard.

Dal 1909, lo standard industriale per la sintesi dell’ammoniaca prevede la conversione dell’azoto molecolare (dinitrogeno, N2) attraverso una reazione con idrogeno gassoso utilizzando catalizzatori a base metallica, noto come processo Haber-Bosch. Polly Arnold, scienziata senior e direttrice della divisione di scienze chimiche del Bekeley Lab, ha scoperto che i catalizzatori realizzati con metalli delle terre rare possono invece facilitare questa reazione a temperatura ambiente.

“Nessuno si aspettava che i metalli delle terre rare causassero questa reazione. Hanno ampliato il nostro arsenale di potenziali catalizzatori per le condizioni ambientali”, afferma in una nota Arnold, che è anche professore di chimica alla UC Berkeley.

I metalli delle terre rare sono elementi pesanti, morbidi, bianco-argentei che costituiscono tutti i metalli non radioattivi del gruppo nella parte inferiore della tavola periodica e hanno suscitato molto interesse per le applicazioni nell’elettronica, nei laser e nei materiali magnetici.

“Nonostante il loro nome, i metalli delle terre rare non sono in realtà rari”, ha detto Anthony Wong, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Arnold a Berkeley e autore principale dell’articolo Chem Catalysis che descrive il lavoro. “Alcuni sono comuni quasi quanto il rame e i loro sali sono meno tossici dei metalli già utilizzati nella catalisi”, ha aggiunto.

ELETTRONI AGGIUNTIVI

La cosa interessante dei metalli delle terre rare, da un punto di vista fondamentale, è che hanno un insieme di elettroni extra che le loro controparti dei metalli di transizione non hanno. Ciò conferisce loro interessanti proprietà optomagnetiche, ma i chimici non comprendono appieno se e come gli elettroni potrebbero essere utilizzati nelle reazioni. L’esame delle reazioni che coinvolgono i metalli delle terre rare è uno strumento interessante per comprendere le loro strutture elettroniche e come le loro strutture possono essere applicate a nuova reattività.

È noto che le terre rare legano l’azoto molecolare sin dagli anni ’90, tuttavia, fino ad ora, i ricercatori non sono stati in grado di utilizzarle per creare sostanze chimiche funzionalizzate con l’azoto come l’ammoniaca o le ammine cataliticamente dall’N2.

Wong, Arnold e i loro colleghi hanno progettato composti che collegavano due metalli delle terre rare con legami singoli costituiti da fenolati basati su un semplice antiossidante ampiamente utilizzato negli alimenti. La struttura risultante formava una cavità rettangolare.

L’azoto molecolare che si diffonde nella cavità forma legami con i metalli a ciascuna estremità, attivando il gas. Quindi, gli elettroni introdotti nella cavità da una fonte di potassio hanno attaccato l’azoto attivato, rompendone i legami. In tutte le sue forme standard, l’azoto convertito forma tre legami covalenti con atomi di idrogeno o altri reagenti, risultando in ammoniaca o ammine simmetriche.

“I nostri catalizzatori attivano e trattengono il diazoto, mentre diversi reagenti entrano e reagiscono per formare prodotti diversi”, ha affermato Arnold. La loro intenzione è quella di utilizzare elettrodi al posto del reagente potassio come fonte di elettroni, poiché questi possono essere rinnovabili se derivati, ad esempio, dalle celle solari.

GIUSTIZIA ALIMENTARE

Successivamente, gli scienziati esploreranno come utilizzare gli elementi delle terre rare per sintetizzare ulteriori prodotti contenenti azoto regolando la forma e le dimensioni della cavità a forma di cassetta delle lettere. “Il nostro prossimo passo è esplorare e comprendere quali proprietà dei metalli delle terre rare influenzano la chimica”, ha detto Wong.

Il nuovo processo non sostituirà il diffuso processo industriale Haber-Bosch. Dal 2020 la produzione globale di ammoniaca è stata di circa 200 milioni di tonnellate all’anno e gli strumenti esistenti sono ottimizzati ed estremamente efficienti su larga scala. Ma il processo consuma circa il 2% del consumo energetico globale e crea disuguaglianze geografiche nella disponibilità di ammoniaca.

“Questa non è giustizia alimentare”, ha detto Arnold. Wong ha aggiunto: “Abbiamo bisogno di modi migliori per produrre ammoniaca che consumino meno energia e che possano essere realizzati a temperatura e pressione ambiente per contribuire alla sicurezza alimentare ed energetica”. La sua tecnologia brevettata potrebbe portare fertilizzanti chimicamente specifici e prodotti a base di azoto in regioni prive di condutture e a un costo molto inferiore.

 
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