I ricercatori dell'Università della Florida centrale (UCF) e Virginia Tech hanno sviluppato a metodo sostenibile di produzione di ammoniaca, un composto di azoto e idrogeno, che è vitale per la vita sulla terra, compresa la produzione di cibo per nutrire la crescente popolazione mondiale.

Il progresso è un passo importante verso la sostenibilità per un'industria a lungo dipendente dai combustibili fossili e potrebbe portare a un modo più ecologico di nutrire il mondo.

Il documento è pubblicato sulla rivista Nature Communications.

L'ammoniaca svolge un ruolo importante nella produzione di un'ampia varietà di prodotti, dai tessuti agli esplosivi.

Dato che detiene così tanto valore in una vasta gamma di industrie, l'ammoniaca è una delle sostanze chimiche inorganiche più altamente prodotte nel mondo, con gli Stati Uniti come uno dei principali produttori e consumatori del mondo.

Chi siamo 88 per cento di ammoniaca negli Stati Uniti è utilizzato per fertilizzanti.

Problemi con i metodi esistenti

Per tutto ciò che l'ammoniaca fornisce come fertilizzante, la sua produzione arriva con i maggiori costi ambientali.

I Processo di Haber-Bosch, che è stato il metodo più comune di produzione di ammoniaca sin dalla prima guerra mondiale, richiede temperature elevate e pressione tremenda.

Le molecole di azoto e idrogeno devono essere riscaldate a temperature comprese tra 662 ° a 1022 ° F sotto tra 2,200 e 5,100 libbre per pollice quadrato di pressione.

Di conseguenza, il processo consuma 1-2 per cento delle forniture energetiche annuali globali, ha detto Xiaofeng Feng, un assistente professore di fisica alla UCF che ha guidato il gruppo di ricerca.

Così, mentre l'invenzione di questo processo ha contribuito a stimolare l'ascesa dell'agricoltura industriale su larga scala per nutrire la popolazione mondiale in continua crescita, è responsabile delle prolifiche emissioni di gas serra - circa 3 percento delle emissioni di carbonio del mondo - e contaminazione delle falde acquifere, entrambe dannose per gli ecosistemi locali e l'ambiente globale.

I pesanti costi ambientali hanno ispirato molti sforzi recenti per rendere la produzione di ammoniaca più sostenibile.

Un approccio che gli scienziati hanno esplorato è la ricerca di modi per produrre la sostanza chimica in condizioni più miti e utilizzando l'energia elettrica.

"Un approccio elettrochimico può consentire sostenibile sintesi di ammoniaca utilizzando l'elettricità da fonti energetiche rinnovabili come il solare e il vento ", ha detto Feng.

Sfortunatamente, i metodi elettrochimici hanno dimostrato a questo punto di essere troppo inefficienti per essere utilizzati nella produzione di ammoniaca su larga scala.

Hanno tipicamente usato un meccanismo convenzionale, chiamato "processo di trasferimento di elettroni accoppiati al protone", in cui gli elettroni attivi passati attraverso un elettrodo sono usati per guidare la reazione, con l'acqua che serve come fonte di idrogeno.

Attraverso questo metodo, l'ammoniaca viene prodotta, anche se in modo inefficiente e con una bassa velocità di reazione.

Il metodo migliorato di Feng

La squadra di Feng, tuttavia, ha trovato un modo per sviluppare processi elettrochimici più efficienti dal punto di vista energetico.

Il metodo utilizza l'idruro di palladio come catalizzatore, che consente di utilizzare gli elettroni in modo molto più efficiente.

Il palladio, che è altamente attivo per la reazione di evoluzione dell'idrogeno, una reazione che compete con la reazione di sintesi dell'ammoniaca, aveva precedentemente ricevuto poca attenzione come catalizzatore per la produzione di ammoniaca elettrochimica, ha spiegato Feng.

"La nostra ricerca ha scoperto che il catalizzatore di palladio può consentire un'elevata attività e selettività con un sovrarpotenziale minimo (o energia elettrica), grazie a un meccanismo unico di trasferimento dell'idruro attivato dall'idruro di palladio", ha affermato. "Questo nuovo meccanismo potrebbe non solo fornire una nuova via per la sintesi sostenibile dell'ammoniaca, ma anche incoraggiare i ricercatori tra pari a utilizzare il principio per affrontare altre reazioni per la conversione di energia rinnovabile".

Qual è il prossimo passo?

Andando avanti, i ricercatori intendono continuare a sviluppare e ottimizzare il loro metodo di sintesi dell'ammoniaca."Il nostro prossimo passo è quello di comprendere e migliorare ulteriormente il processo catalitico utilizzando tecniche avanzate come la spettroscopia a raggi X a base di sincrotrone e l'elettrodo di diffusione del gas", ha detto Feng. "Svilupperemo anche catalizzatori più efficienti con basso carico di palladio o metalli non preziosi per la sintesi dell'ammoniaca."