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El amoníaco se utiliza en fertilizantes y muchos procesos industriales. También se considera una forma prometedora de almacenar y transportar energía, ya que es más seguro y fácil manipular el amoníaco que el gas hidrógeno.
Utilizando plasma, el cuarto estado de la materia, los científicos han creado un material que potencia la producción de amoníaco.
"Si uno necesita hidrógeno industrial en otro lugar que no sea donde se fabrica, será más fácil y seguro transportar el hidrógeno como amoníaco y almacenarlo hasta que se necesite. Lo ideal sería descomponer el amoníaco en el lugar donde se necesita el hidrógeno", explica Emily Carter, asesora estratégica y directora asociada de laboratorio de la Dirección de Materiales Aplicados y Ciencias de la Sostenibilidad (AMSS) del departamento de Energía de Estados Unidos.
(PPPL) del departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). "Así pues, se necesitan métodos para sintetizar y descomponer el amoníaco a partir del hidrógeno y en hidrógeno de forma eficiente y barata, y en PPPL estamos trabajando en ambas cosas en la división científica de electromanufactura de AMSS".
La investigación fue realizada por un equipo multidisciplinar de varias instituciones, entre ellas el PPPL y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del DOE, la Universidad de Princeton, la Universidad de Rutgers y la Universidad de Rowan. Recientemente se ha publicado un artículo científico sobre el trabajo en ACS Energy Letters.
"El método actual para fabricar amoníaco es caro", afirma Zhiyuan Zhang, doctorando de la Universidad Rutgers de Newark y autor principal de la investigación. "Se necesita una gran fábrica para fabricar el amoníaco mediante procesos que requieren temperaturas y presiones extremas".
El amoníaco puede utilizarse como portador de hidrógeno, lo que significa que puede almacenar y transportar la sustancia química antes de convertirla en hidrógeno para obtener energía. El hidrógeno requiere grandes plantas de fabricación e instalaciones de almacenamiento. Este nuevo método podría crear amoníaco en instalaciones mucho más pequeñas situadas más cerca de donde se necesita, incluso in situ. Si el amoníaco tuviera que transportarse largas distancias, también sería menos costoso.
"El hidrógeno tiene una densidad energética muy baja y es muy difícil transportarlo. El amoníaco tiene una mayor densidad energética -el doble que el hidrógeno comprimido- y puede transportarse a largas distancias con más facilidad que el hidrógeno", afirma Yiguang Ju, investigador principal, físico director de investigación, jefe de ciencia de electromanufactura de PPPL y profesor de la Universidad de Princeton. "Esto podría abrir un cambio transformador en el almacenamiento y el transporte de energía".
Mark Martirez, asesor adjunto para la ciencia de la sostenibilidad en el AMSS y físico investigador, está creando ahora simulaciones de algunos de los experimentos detallados en el nuevo artículo para que el equipo pueda comprender plenamente lo que ocurre durante la reacción química a nivel atómico. "Las simulaciones son esenciales para comprender plenamente el mecanismo que experimenta la especie química para producir amoníaco a partir de agua y nitrógeno", dijo Martirez. "Sólo podían adivinar las posiciones de los distintos átomos basándose en una imagen del experimento". Martirez aporta un conocimiento poco común de la química cuántica implicada en el proceso, que se conoce ampliamente como catálisis por plasma y es un campo relativamente nuevo.
En lugar de utilizar el calor y la presión elevados que requiere la catálisis térmica -el antiguo método para fabricar amoníaco a partir de hidrógeno y nitrógeno-, el nuevo método emplea electricidad, agua, nitrógeno y plasma a baja temperatura. En el plasma de baja temperatura, las moléculas sin carga están relativamente frías o a temperatura ambiente.
Sin embargo, los electrones están muy calientes. Los electrones tienen energía suficiente para cambiar la superficie de los catalizadores, eliminando ciertos átomos e implantando átomos de nitrógeno o hidrógeno en sus capas más externas.
Un catalizador es un ingrediente que acelera las reacciones químicas sin cambiar en el proceso. El catalizador utilizado en los experimentos tiene una estructura única, que permite transformaciones químicas más eficientes desde el punto de vista energético. Los científicos denominan a esta estructura complexión interfacial heterogénea (HIC).
"Los catalizadores, óxido de wolframio y oxinitruro de wolframio, no son nuevos. Lo que sí es nuevo es la estructura y el método de fabricación por plasma de una forma controlable y escalable", explica Huixin He, catedrático de la Universidad Rutgers y uno de los investigadores principales de la investigación.
El diseño especial del HIC ayuda a crear átomos de hidrógeno muy activos justo donde se necesitan para formar diminutos huecos, conocidos como vacantes de nitrógeno, que encajan a la perfección con una molécula de nitrógeno. Estas características funcionan conjuntamente: Los átomos de hidrógeno convierten el nitrógeno en amoníaco y los espacios vacíos atraen más nitrógeno del aire para que el proceso continúe. Este método aumenta significativamente la cantidad de amoníaco producido en comparación con los métodos más antiguos. También minimiza las reacciones secundarias no deseadas, como la creación de gas hidrógeno en lugar de amoníaco.
"El proceso de producción de este catalizador se redujo de aproximadamente dos días a 15 minutos", afirmó Zhang. El proceso también superó a otros métodos similares en cuanto a la cantidad de amoníaco generado. Los investigadores seguirán estudiando formas de mejorar la producción de amoníaco con el catalizador HIC.
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