Del carbono al nitrógeno: aprovechar la energía del amoníaco

Un equipo de investigación de la Universidad de Wisconsin  Madison ha identificado una nueva forma de convertir el amoníaco en gas nitrógeno a través de un proceso que podría ser un paso hacia la sustitución del amoníaco por los combustibles a base de carbono.

El descubrimiento de esta técnica, que utiliza un catalizador metálico y libera, en lugar de requerir, energía, se informó el 8 de noviembre de 2021 en Nature Chemistry y recibió una patente provisional de la Wisconsin Alumni Research Foundation.

“El mundo funciona actualmente con una economía de combustible de carbono”, explica Christian Wallen, autor del artículo y ex investigador postdoctoral en el laboratorio del químico John Berry de UW-Madison. “No es una gran economía porque quemamos hidrocarburos, que liberan dióxido de carbono a la atmósfera. No tenemos una forma de cerrar el ciclo de un verdadero ciclo del carbono, donde podríamos transformar el dióxido de carbono de nuevo en un combustible útil “.

Para avanzar hacia el objetivo de las Naciones Unidas de que el mundo se convierta en carbono neutral para 2050, los científicos deben considerar formas ambientalmente responsables de crear energía a partir de elementos distintos del carbono, y el equipo de UW-Madison propone una economía de energía de nitrógeno basada en interconversiones de nitrógeno y amoniaco.

Los científicos estaban entusiasmados al descubrir que la adición de amoníaco a un catalizador metálico que contenía el elemento rutenio, similar al platino, producía nitrógeno espontáneamente, lo que significa que no se requería energía adicional. 

En cambio, este proceso se puede aprovechar para producir electricidad, con protones y gas nitrógeno como subproductos. 

Además, el complejo metálico puede reciclarse mediante la exposición al oxígeno y usarse repetidamente, todo un proceso mucho más limpio que el uso de combustibles a base de carbono.

“Descubrimos que, no solo estamos produciendo nitrógeno, lo estamos produciendo en condiciones que no tienen precedentes”, dice Berry, quien es profesor de química Lester McNall y centra sus esfuerzos de investigación en la química de los metales de transición. “Poder completar la reacción de amoníaco a nitrógeno en condiciones ambientales y obtener energía es algo muy importante”.

El amoníaco se ha quemado como fuente de combustible durante muchos años. 

Durante la Segunda Guerra Mundial, se usó en automóviles, y los científicos hoy en día están considerando formas de quemarlo en motores como reemplazo de la gasolina, particularmente en la industria marítima. 

Sin embargo, al quemar amoniaco se liberan gases tóxicos de óxido de nitrógeno.

La nueva reacción evita esos subproductos tóxicos. Si la reacción estuviera alojada en una celda de combustible donde el amoníaco y el rutenio reaccionan en la superficie de un electrodo, podría producir electricidad limpiamente sin la necesidad de un convertidor catalítico.

“Para una celda de combustible, queremos una salida eléctrica, no una entrada”, dice Wallen. “Descubrimos compuestos químicos que catalizan la conversión de amoníaco en nitrógeno a temperatura ambiente, sin aplicar voltaje ni agregar químicos. Este es el primer proceso, hasta donde sabemos, para hacer eso “.

Poder completar la reacción de amoníaco a nitrógeno en condiciones ambientales, y obtener energía, es un gran problema.

John Berry

“Tenemos una infraestructura establecida para la distribución de amoníaco, que ya se produce en masa a partir de nitrógeno e hidrógeno en el proceso Haber-Bosch”, dice Michael Trenerry, estudiante de posgrado y autor del artículo. “Esta tecnología podría permitir una economía de combustible libre de carbono, pero es la mitad del rompecabezas. Uno de los inconvenientes de la síntesis de amoníaco es que el hidrógeno que usamos para producir amoníaco proviene del gas natural y los combustibles fósiles ”.

Sin embargo, esta tendencia está cambiando a medida que los productores de amoníaco intentan producir amoníaco “verde”, en el que los átomos de hidrógeno se suministran mediante electrólisis de agua neutra en carbono en lugar del proceso de Haber-Bosch, que consume mucha energía.

A medida que se superen los desafíos de la síntesis de amoníaco, según Berry, habrá muchos beneficios al usar el amoníaco como una fuente de energía o combustible común. 

Es comprimible, como el propano, fácil de transportar y fácil de almacenar. 

Aunque ya existen algunas pilas de combustible de amoníaco, a diferencia de este nuevo proceso, requieren energía adicional, por ejemplo, dividiendo primero el amoníaco en nitrógeno e hidrógeno.

Los próximos pasos del grupo incluyen descubrir cómo diseñar una celda de combustible que aproveche el nuevo descubrimiento y considerar formas respetuosas con el medio ambiente para crear los materiales de partida necesarios.

“Uno de los próximos desafíos en los que me gustaría pensar es cómo generar amoníaco a partir del agua, en lugar de gas hidrógeno”, dice Trenerry. “El sueño es poner agua, aire y luz solar para crear un combustible”.

Referencia: “Spontaneous N2 formation by a diruthenium complex enables electrocatalytic and aerobic oxidation of ammonia” by Michael J. Trenerry, Christian M. Wallen, Tristan R. Brown, Sungho V. Park and John F. Berry, 8 November 2021, Nature Chemistry.
DOI: 10.1038/s41557-021-00797-w

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