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El amoníaco es una sustancia química que beneficia a la agricultura y la industria, pero su producción suele ser muy costosa en términos energéticos. Pero, un enfoque más natural parece mucho más económico.
Casi el 80% del amoníaco producido (poco menos de 200 millones de toneladas) se utiliza como fertilizante. Su producción se realiza generalmente mediante el Proceso Haber-Bosch. La producción de amoníaco representa aproximadamente el 2 % del consumo energético mundial y el 2 % de las emisiones globales de dióxido de carbono.
Por este motivo, un grupo de nvestigadores han estado desarrollando un sistema catalítico para producir amoníaco a partir de moléculas abundantes en la Tierra, como el nitrógeno atmosférico y el agua.
Químicos e investigadores de la Universidad de Tokio (Japón) han intentado producir amoníaco de forma más eficiente. Por primera vez, el grupo simplemente combinó nitrógeno atmosférico, agua y luz solar. Utilizando dos catalizadores, produjeron grandes cantidades de amoníaco sin consumir demasiada energía. El proceso es más similar a los procesos naturales presentes en las plantas que utilizan bacterias simbióticas.
La clave reside en la combinación de dos tipos de catalizadores, que ofrecen un gran potencial para reducir el coste de la producción de energía mediante una reacción impulsada por la luz solar.
“Este es el primer ejemplo exitoso de producción fotocatalítica de amoníaco utilizando dinitrógeno atmosférico como fuente de nitrógeno y agua como fuente de protones, que también utiliza la energía de la luz visible y dos tipos de catalizadores moleculares”, aclaró el coautor, el Dr. Nishibayashi.
Alo que añade: "utilizamos un fotocatalizador de iridio y otra sustancia química llamada fosfina terciaria, que permitió la activación fotoquímica de las moléculas de agua. La eficiencia de la reacción fue superior a la esperada, en comparación con informes previos de formación de amoníaco fotocatalítico impulsado por luz visible”.
Las reacciones químicas no siempre ocurren con la rapidez deseada ni con el resultado deseado. Controlar el resultado depende de la eficiencia y la sincronización, y los catalizadores pueden ser de gran ayuda.
El molibdeno, un metal de transición, se utilizó para activar el dinitrógeno, y el iridio, un metal, para la activación del agua mediante luz con fosfinas terciarias, que ayudan a que los protones se liberen de las moléculas de agua.
"Cuando el fotocatalizador de iridio absorbe la luz solar, su estado excitado puede oxidar las fosfinas terciarias. Las fosfinas terciarias oxidadas activan las moléculas de agua mediante la formación de un enlace químico entre el átomo de fósforo de la fosfina y el agua, lo que produce protones", explicó Nishibayashi.
"El catalizador de molibdeno permite que el nitrógeno se una a estos protones para convertirse en amoníaco. El uso de agua para producir átomos de dihidrógeno o hidrógeno es uno de los procesos más importantes para lograr la producción de amoníaco verde".
Este experimento a pequeña escala podría replicarse posteriormente a escalas mucho mayores, buscando mejorar aún más la seguridad y la eficacia del proceso. Por ejemplo, la energía solar podría estimular el proceso o los óxidos de fosfina reciclados podrían ser componentes útiles.
El amoníaco se forma en la naturaleza, como en las plantas al fijar el nitrógeno, en relación con la fotosíntesis. Los electrones de esta reacción provienen de la luz y los protones del agua, imitando así la naturaleza (casi como biomimetismo).
La simplicidad de usar agua e incorporar un proceso más natural podría resultar en resultados más limpios para la producción de amoníaco, que actualmente es algo limitada como combustible limpio viable.
Yasuomi Yamazaki, Yoshiki Endo, Yoshiaki Nishibayashi, Catalytic ammonia formation from dinitrogen, water, and visible light energy, Nature Communications. 2025.
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