Investigadores de la UCF descubren mecanismos clave para la producción sostenible de amoníaco

Un equipo de investigación de la Universidad de Florida Central con colaboradores de Virginia Tech ha publicado hallazgos críticos sobre la síntesis electroquímica de amoníaco, lo que promueve la investigación de fertilizantes sostenibles y, por lo tanto, ayuda a los esfuerzos mundiales de seguridad alimentaria.

El amoníaco, un compuesto de nitrógeno e hidrógeno, es un ingrediente esencial en muchos fertilizantes para la producción de alimentos. Sin embargo, su principal método de producción, el método Haber-Bosch, consume mucha energía y combustible, consume del 3% al 5% de la producción mundial de gas natural y representa más del 1% de las emisiones globales de carbono.

Usando el metal rutenio como catalizador, los investigadores identificaron la forma más eficiente de producir amoníaco a través de un método de producción más sostenible: electroquímicamente. Este método de producción puede ser más sostenible cuando se utiliza electricidad de fuentes renovables, como la solar o la eólica, para alimentar la síntesis electroquímica, dicen los investigadores.

Los hallazgos se publicaron recientemente en ACS Energy Letters.

Si bien hay muchos esfuerzos de investigación sobre la producción electroquímica de amoníaco, los mecanismos subyacentes aún deben comprenderse mejor, dicen los investigadores.

Sin embargo, esta nueva investigación ayuda a proporcionar una imagen más clara del mecanismo de reacción, dice el coautor del estudio, Xiaofeng Feng, profesor del Departamento de Física de la UCF.

"Los resultados de este trabajo en profundidad pueden proporcionar una guía importante a los investigadores sobre cómo diseñar catalizadores más eficientes para la producción sostenible de amoníaco", dice Feng.

Cómo hicieron el trabajo

La fuerza de unión óptima del rutenio con los intermedios de reacción lo convierte en uno de los catalizadores más activos para la reacción de reducción de nitrógeno, que produce amoníaco al combinar nitrógeno con hidrógeno de las moléculas de agua.

Usando la deposición de capas atómicas, los investigadores pudieron tener un control muy preciso de los nanomateriales sintetizados a escala atómica, lo que permitió la prueba de nanopartículas de rutenio en un rango de dos a ocho nanómetros.

Los investigadores descubrieron que, al colocar átomos de rutenio en capas en una estructura catalítica, una disposición especial de los átomos de la superficie de rutenio, denominada sitio del paso D5, era el sitio más activo para la reacción de reducción electroquímica de nitrógeno.

A diferencia de otros sitios, el sitio del paso D5 posee el "equilibrio perfecto", que favorece la formación del intermedio N2H y no se envenena, o se vuelve incapaz de permitir que nuevas moléculas se adsorban y reaccionen, por el intermedio NH2, dicen los investigadores.

Se descubrió que las nanopartículas de rutenio de alrededor de cuatro nanómetros de tamaño tenían el mejor rendimiento catalítico para la reacción de reducción de nitrógeno. La actividad alcanzó un máximo de cuatro nanómetros y luego se redujo cinco veces a medida que se duplicaba el tamaño de las partículas, lo que demuestra el efecto crítico del tamaño de las partículas de rutenio en la catálisis.

El trabajo previo de los investigadores para mejorar la eficiencia de la producción electroquímica de amoníaco ayudó al estudio actual al proporcionar la comprensión mecanicista y la metodología de investigación.

Investigación colaborativa

La nueva investigación es una colaboración entre tres equipos de investigación.

Feng y sus estudiantes caracterizaron las muestras de rutenio y las investigaron como catalizadores para la producción electroquímica de amoníaco. El coautor del estudio, Parag Banerjee, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UCF, y sus estudiantes se centraron en la síntesis precisa de nanopartículas de rutenio metálico en el laboratorio de Banerjee.

Además, el profesor de Virginia Tech, Hongliang Xin, y su alumno realizaron estudios computacionales para modelar e identificar la estructura atómica responsable del mayor rendimiento catalítico.

Los investigadores planean colaborar aún más para desarrollar materiales más complejos y eficientes utilizando la deposición de capas atómicas para la producción sostenible de amoníaco, dice Feng.

También implementarán los materiales catalizadores en dispositivos electrolizadores avanzados para mejorar la tasa de rendimiento y la eficiencia de la producción de amoníaco con energía eléctrica.

Credenciales del investigador

Feng recibió su doctorado en ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de California, Berkeley en 2013 y se unió a la UCF en 2016 como profesor asistente en el Departamento de Física. La investigación en su laboratorio cuenta con el apoyo de una subvención CAREER Award de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Banerjee recibió su doctorado en ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Maryland en 2011 y se unió a UCF en 2018.

El trabajo en el laboratorio de Banerjee fue apoyado parcialmente por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y EMD Performance Materials. Tanto Banerjee como Feng son miembros del Clúster de Energías Renovables y Transformaciones Químicas (REACT), lo que facilitó la colaboración y respalda más oportunidades futuras.