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Un grupo de investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han revelado cómo un catalizador de una reacción química prometedora para la industria ayuda a fabricar amoníaco, uno de los principales ingredientes de los fertilizante.
El óxido de cobre es un catalizador clave en la reacción electroquímica de reducción de nitratos, una alternativa más ecológica al actual proceso Haber-Bosch. Descubrieron que a mitad de la reacción se crean partículas de cobre que ayudan a convertir los iones nitrito en amoníaco. Este conocimiento de los mecanismos subyacentes promete saltos adelante en el desarrollo de una nueva química industrial.
Como ingrediente de los fertilizantes, el amoníaco es un producto químico importante en la agricultura industrial. La forma más extendida de producir amoníaco es el proceso Haber-Bosch, en el que el nitrógeno y el hidrógeno reaccionan a alta temperatura y presión. Esto hace que el proceso consuma mucha energía; se dice que representa alrededor del 1,4% de las emisiones mundiales de dióxido de carbono.
Como producto químico que sustenta gran parte de la producción de alimentos, se buscan formas más ecológicas de producir amoníaco.
Un equipo dirigido por el profesor Fumiaki Amano, de la Universidad Metropolitana de Tokio, ha estudiado la reacción electroquímica de reducción de nitratos, una alternativa prometedora que puede producir amoníaco a partir de nitratos a temperatura y presión ambiente.
Los procesos electroquímicos funcionan colocando electrodos en una mezcla química y aplicando un voltaje para impulsar las reacciones. A pesar de los numerosos estudios que han identificado las reacciones específicas que se producen en los electrodos durante la producción de amoníaco, el mecanismo exacto ha resultado difícil de descifrar.
Gracias a técnicas de vanguardia, el equipo ha logrado una comprensión sin precedentes de cómo se produce el amoníaco en presencia de un catalizador de óxido de cobre, uno de los electrocatalizadores más eficaces para este tipo de reacción.
Utilizaron la absorción operando de rayos X, un método que combina la comprensión de los estados electrónicos con el conocimiento de la estructura y los enlaces locales. Montando pequeñas partículas de óxido de cobre sobre fibras de carbono, lograron extraer cómo cambian las cosas a medida que el voltaje se hace más negativo durante la reacción. Bajo un voltaje positivo, se demostró que los iones de nitrato "pasivan" el catalizador al absorberse en ellos e impedir la conversión del óxido de cobre en cobre metálico, produciendo en su lugar iones de nitrito.
A medida que el voltaje se hace más negativo, se observa que la producción de amoníaco aumenta bruscamente. Esto ocurre al mismo tiempo que la aparición de partículas de cobre metálico, evidenciada por un aumento espectacular del número de enlaces cobre-cobre. Descubrieron que el cobre metálico ayuda a añadir hidrógeno a los iones nitrito para producir amoníaco.
Las mediciones del equipo han mostrado cómo la pasivación de la superficie afecta a la eficiencia del catalizador de óxido de cobre, y cómo la producción de cobre metálico es crucial para la producción eficiente de amoníaco. Su trabajo pone de relieve una amplia clase de estrategias para optimizar la producción ecológica de amoníaco y diseñar nuevos catalizadores electroquímicos.
Este trabajo contó con el apoyo de la Universidad Metropolitana de Tokio y el Programa de Becas Tokyo Global Partner y se basó en los resultados obtenidos en el proyecto JPNP14004 encargado por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (NEDO).
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