El fertilizante sintético a base de nitrógeno forma la columna vertebral del suministro mundial de alimentos, pero su fabricación requiere una gran cantidad de energía. Ahora, el modelado por computadora en la Universidad de Princeton señala un método que podría reducir drásticamente la energía necesaria mediante el uso de la luz solar en la fabricaciónproceso.
Los fabricantes actualmente fabrican fertilizantes, productos farmacéuticos y otros productos químicos industriales al extraer nitrógeno del aire y combinarlo con hidrógeno. El gas nitrógeno es abundante y constituye aproximadamente el 78 por ciento del aire. Pero el nitrógeno atmosférico es difícil de usar porque está bloqueado en paresde átomos, llamado N 2 , y el enlace entre estos dos átomos es el segundo más fuerte en la naturaleza. Por lo tanto, se necesita mucha energía para dividir el N 2 molécula y permitir que los átomos de nitrógeno e hidrógeno se combinen. La mayoría de los fabricantes utilizan el proceso Haber-Bosch, una técnica centenaria que expone el N 2 e hidrógeno a un catalizador de hierro en una cámara calentada a más de 400 grados Celsius. El método usa tanta energía que ciencia la revista informó que la fabricación de fertilizantes y compuestos similares representa aproximadamente el 2 por ciento del uso de energía del mundo cada año.
Un equipo de investigación dirigido por Emily Carter, decana de ingeniería de Princeton y profesor de Energía y Medio Ambiente de Gerhard R. Andlinger, quería saber si sería posible utilizar la luz para debilitar el enlace en la molécula de nitrógeno atmosférico. De ser así, permitiría a los fabricantes cortar radicalmente la energía necesaria para dividir el nitrógeno para su uso en fertilizantes y una amplia gama de otros productos.
"Aprovechar la energía de la luz solar para activar moléculas inertes como el nitrógeno y los gases de efecto invernadero metano y dióxido de carbono es un gran desafío para la producción química sostenible", dijo Carter, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial yde matemática aplicada y computacional. "Reemplazar la fabricación de productos químicos tradicionales de alta temperatura y alta presión con uso intensivo de energía con procesos a temperatura ambiente impulsados por la luz solar es otra forma de disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles".
Los investigadores estaban interesados en aprovechar el comportamiento único de la luz cuando interactúa con nanoestructuras metálicas más pequeñas que una sola longitud de onda de luz. Entre otros efectos, el fenómeno, llamado resonancia de plasmón superficial, puede concentrar la luz y mejorar los campos eléctricos. DrJohn Mark Martirez, un investigador postdoctoral y miembro del equipo de investigación de Princeton, dijo que los investigadores creían que sería posible usar resonancias de plasmón para aumentar el poder de un catalizador para separar las moléculas de nitrógeno.
"Es un método diferente de entregar energía para romper el vínculo", dijo. "En lugar de usar calor, estamos usando luz".
en un artículo del 5 de enero en la revista Avances científicos , los investigadores describen cómo usaron simulaciones por computadora para modelar el comportamiento de la luz en pequeñas estructuras hechas de oro y molibdeno. El oro es uno de una clase de metales, incluidos el cobre y el aluminio, que se pueden moldear para producir resonancias de plasmones superficiales. Los investigadoresusó un conjunto de herramientas de modelado informático para simular nanoestructuras hechas de oro, y agregó molibdeno a su superficie, que es un metal que puede dividir las moléculas de nitrógeno.
"El metal plasmónico actúa como un pararrayos", dijo Martirez. "Concentra una gran cantidad de energía luminosa en un área muy pequeña".
La energía luminosa concentrada aumenta efectivamente la capacidad del molibdeno para separar los dos átomos de nitrógeno.
"La interacción de la luz aumenta el campo eléctrico cerca de la superficie del catalizador, lo que ayuda a romper el enlace", dijo Martirez.
Los cálculos de los investigadores indican que la técnica de resonancia de plasmón debería ser capaz de reducir sustancialmente la energía necesaria para romper las moléculas de nitrógeno atmosférico. Carter dijo que el modelado indica que debería ser posible disociar la molécula de nitrógeno a temperatura ambiente y a presiones más bajasde lo requerido por el proceso Haber-Bosch.
Simular el proceso y al mismo tiempo considerar el efecto de la luz fue un desafío. La mayoría de los modelos de computadora que pueden evaluar con precisión las reacciones químicas a nivel molecular y explicar los cambios inducidos por la luz, solo pueden simular unos pocos átomos a la vez. Si bien esto escientíficamente valioso, generalmente no es suficiente para evaluar procesos industriales.
Entonces, los investigadores recurrieron a una técnica desarrollada originalmente por Carter que permite a los científicos utilizar métodos altamente precisos para modelar un pequeño fragmento de la superficie y luego extender esos resultados para comprender un sistema más amplio. La técnica, llamada onda correlacionada incrustadaLa teoría de la función, ha sido verificada repetidamente y ampliamente utilizada dentro del grupo Carter, y los investigadores confían en su aplicación al problema de división de nitrógeno.
Carter dijo que su equipo está colaborando con Naomi Hallas y Peter Nordlander de la Universidad de Rice para probar la técnica de resonancia de plasmones en el laboratorio. Los investigadores han trabajado juntos en proyectos similares en el pasado, incluida la demostración de la disociación de moléculas de hidrógeno en oro puronanopartículas
Como siguiente paso, Carter dijo que le gustaría extender la técnica de resonancia de plasmón a otros enlaces químicos fuertes. Un candidato es el enlace carbono-hidrógeno en metano. Los fabricantes usan gas natural para suministrar el hidrógeno en fertilizantes, así como otros importantesproductos químicos industriales. Por lo tanto, encontrar un método de baja energía para romper ese vínculo también podría ser una bendición para la fabricación.
El apoyo para el proyecto fue proporcionado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el Programa de Modernización de la Computación de Alto Rendimiento del Departamento de Defensa de los EE. UU. Y la Infraestructura Terascale de Princeton para la Investigación Innovadora en Ingeniería y Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton, Escuela de Ingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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