Más de 100 años después de la introducción del proceso Haber-Bosch, los científicos continúan buscando rutas alternativas de producción de amoníaco que demanden menos energía. Los científicos chinos ahora han descubierto que el fósforo negro es un excelente catalizador para la electroreducción del nitrógeno al amoníacoSegún su estudio publicado en la revista Angewandte Chemie , las nanocapas de fósforo negro en capas son un catalizador altamente selectivo y eficiente en este proceso.
El amoníaco es una materia prima esencial en todas las áreas industriales, desde la agricultura hasta los productos químicos finos y la industria farmacéutica. Durante más de un siglo, ha sido sintetizado industrialmente por el proceso Haber-Bosch, en el que el nitrógeno del aire se reduce con hidrógenoo gas de síntesis a alta presión y temperatura sobre un catalizador de metal de transición. Sin embargo, la demanda de energía de este proceso es tan alta que uno o dos por ciento del suministro mundial de energía se dedica a la producción industrial de amoníaco.
Los investigadores están buscando alternativas más suaves, que empleen catalizadores que operen bajo condiciones ambientales. Las alternativas libres de metales son especialmente deseables. Un candidato muy interesante es el fósforo en su reactividad más baja, su forma no tóxica: fósforo negro. Este material es una estrella en ascenso.en aplicaciones electrónicas debido a su aspecto metálico y propiedades electrónicas inusuales. Además, su estructura de lámina bidimensional arrugada puede proporcionar los bordes y sitios necesarios para la adsorción y la activación molecular.
Con esta idea en mente, el investigador Haihui Wang de la Universidad Tecnológica del Sur de China, Guangzhou, China, y sus colegas, prepararon capas delgadas de fósforo negro a granel, "mediante un método de exfoliación líquida fácil", como se indica en su publicación.Se incluyeron nanohojas de catalizador en un electrodo de fibra de carbono para electrólisis. Para proporcionar un suministro de nitrógeno, una solución de electrolito de hidrocloruro se saturó con nitrógeno.
Al aplicar un voltaje, el electrodo produjo amoníaco de forma fácil y selectiva a partir de nitrógeno, y el fósforo negro en capas incluso superó a "la mayoría de los catalizadores no metálicos y a base de metal informados en la actualidad", agregaron los autores. La extraordinaria actividad y selectividad de este materialse explican por la estructura y la energía de las láminas de fósforo.
¿Qué tiene de especial el fósforo? Con cálculos teóricos, los autores descubrieron que la disposición en zigzag en las capas de fósforo, en contraste con otros materiales planos o en capas, proporcionaba sitios ideales para la adsorción de nitrógeno y la estructura electrónica en los bordes era la más adecuadapara unir, activar y reducir el nitrógeno mediante una vía de baja energía.
Habiendo explicado la extraordinaria actividad y selectividad del catalizador de fósforo negro en capas, los autores admitieron que, a pesar de la buena estabilidad del fósforo negro en condiciones ambientales, su rendimiento disminuyó a largo plazo debido a la oxidación ".Las mejoras en la prevención de la degradación del fósforo negro en el electrolito serán beneficiosas ", concluyeron.
Este trabajo abre una aplicación novedosa y atractiva para el fósforo negro. En la reducción electrocatalítica del nitrógeno, el rendimiento del fósforo negro es superior al de otros catalizadores no metálicos e incluso metálicos, lo que sugiere que este material pronto podría desempeñar un papel más importante en la electrocatálisis. Con el tiempo, tal vez incluso el proceso Haber-Bosch tendrá un competidor.
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Materiales proporcionado por Wiley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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