La búsqueda de un método de producción de amoníaco más eficiente con el medio ambiente y más ecológico para fertilizantes ha llevado al descubrimiento de un nuevo tipo de reacción catalítica.
Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron picos de carbono a nanoescala para catalizar una reacción que genera amoníaco a partir de nitrógeno y agua, ayudados por la sal de litio y la aplicación de un campo eléctrico. El estudio, publicado en Avances científicos , revela un tipo de catalizador que ha sido teóricamente sugerido pero nunca demostrado.
"Es un catalizador que opera completamente basado en el campo eléctrico; esto nunca se ha observado para el nitrógeno", dijo Adam Rondinone de ORNL, autor principal del estudio. "Lo llamamos un catalizador físico, normalmente un catalizador es químico".
El amoníaco, un compuesto formado por un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno, generalmente se produce a través del enfoque de Haber-Bosch que consume mucha energía. Este proceso utiliza alta temperatura y presión para dividir los enlaces estables de nitrógeno molecular, lo que requiere grandes cantidades de naturalgas. La producción industrial de amoníaco consume aproximadamente el 3 por ciento de la energía mundial y genera del 3 al 5 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero del mundo.
"La producción de amoníaco es un gran problema que necesitamos encontrar formas de abordar", dijo Rondinone. "En la búsqueda de este objetivo, hemos descubierto un mecanismo de reacción que nos da una nueva vía".
A diferencia de Haber-Bosch, el proceso del equipo ocurre a temperatura ambiente en una solución de agua, gas de nitrógeno disuelto y sal de perclorato de litio, con la ayuda de un catalizador único en forma de picos de carbono a nanoescala. Estos picos, solo 50-80nanómetros de largo y un nanómetro de ancho en la punta, actúan como puntos calientes para amplificar el campo eléctrico y atraer iones de litio cargados positivamente. Se supone que el litio arrastra las moléculas de nitrógeno, que se concentran alrededor de los picos de carbono electrificados y comienzan a reaccionar para formar amoníaco..
"Cada catalizador normal opera formando un enlace químico entre la molécula reactiva y la superficie del catalizador. En este caso, no se necesita enlace químico. Es simplemente el alto campo eléctrico que permite que la reacción continúe", dijo Rondinone.
El bajo rendimiento de la reacción, alrededor del 12 por ciento, limita su viabilidad para uso industrial, pero el descubrimiento de su electroquímica única puede ayudar a desarrollar enfoques alternativos para la generación de amoníaco.
Los investigadores también utilizaron modelos y simulaciones computacionales para comprender sus resultados experimentales. Calcularon predicciones teóricas del campo eléctrico, el enriquecimiento de iones alrededor de los picos de carbono y las energías moleculares orbitales de nitrógeno para describir cómo las moléculas se desestabilizaron en el campo eléctrico.
"Debido a las puntas afiladas de nanoespicas, el campo eléctrico local es realmente muy fuerte, del orden de 10 voltios por nanómetro", dijo el teórico de ORNL Jingsong Huang. "Realizamos cálculos para estudiar el potencial de ionización y la afinidad electrónica del nitrógeno bajoaplica campos eléctricos, y esos cálculos sugieren que el nitrógeno inerte se vuelve reactivo "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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