Por Brian Westenhaus de OilPrice.com
Investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio han desarrollado un catalizador de nitruro metálico que contiene un metal activo (Ni) sobre un soporte de nitruro de lantano que es estable en presencia de humedad. El objetivo es reducir los requisitos de energía del proceso Haber-Bosch, que convierte el nitrógeno y el hidrógeno en amoníaco. Además, dado que el catalizador no contiene rutenio, presenta una opción económica para reducir la huella de carbono de la producción de amoníaco.
El informe de investigación ha sido publicado en Angewandte Chemie . El proceso Haber-Bosch, que se usa comúnmente para sintetizar amoníaco (NH3), la base de los fertilizantes nitrogenados sintéticos, mediante la combinación de hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2) sobre catalizadores a altas presiones y temperaturas, es uno de los procesos científicos más importantes. descubrimientos que han ayudado a mejorar el rendimiento de los cultivos y aumentar la producción de alimentos a nivel mundial.
Sin embargo, el proceso requiere altas entradas de energía de combustibles fósiles debido a sus requisitos de altas temperaturas y presión. El hidrógeno utilizado para este proceso se produce a partir de gas natural (principalmente metano). Este proceso de producción de hidrógeno consume energía y va acompañado de una enorme emisión de dióxido de carbono.
Para superar estos problemas, se han desarrollado varios catalizadores para permitir que la reacción se desarrolle en condiciones más suaves utilizando hidrógeno producido por electrólisis del agua a través de energía renovable. Entre ellos se encuentran los catalizadores a base de nitruro que contienen nanopartículas metálicas activas como níquel y cobalto (Ni, Co) cargadas sobre soportes de nitruro de lantano (LaN). En estos catalizadores, tanto el soporte como el metal activo están involucrados en la producción de NH3. El metal activo divide el H2 mientras que el soporte de LaN contiene vacantes de nitrógeno y átomos de nitrógeno en su estructura cristalina que adsorbe y activa el nitrógeno (N2).
Si bien estos catalizadores son económicos (ya que evitan el uso de rutenio, que es costoso), su rendimiento catalítico se degrada en presencia de humedad, transformándose el soporte de LaN en hidróxido de lantano (La(OH)3).
Los investigadores de China y Japón dirigidos por el profesor Hideo Hosono del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), Japón, han desarrollado un catalizador químicamente estable que es estable en presencia de humedad. Inspirándose en compuestos estables de tierras raras que contienen enlaces químicos entre un metal de tierras raras (en este caso, La) y un metal, incorporaron átomos de aluminio en la estructura de LaN y sintetizaron un soporte La3AlN químicamente estable que contiene enlaces La-Al que evitan átomos de lantano reaccionan con la humedad.
El profesor Hosono explicó que el soporte de La-Al-N junto con los metales activos, como el níquel y el cobalto (Ni, Co), podía producir NH3 a tasas similares a las de los catalizadores de nitruro metálico convencionales y podía mantener una producción estable cuando se alimentaba. con humedad que contiene gas nitrógeno. “Los catalizadores de La-Al-N cargados con Ni o Co no mostraron una degradación distinta después de la exposición a un 3,5 % de humedad”, dijo el Prof. Hosono.
Mientras que los átomos de Al estabilizaron el soporte, el nitrógeno reticular y los defectos de nitrógeno presentes en el soporte dopado permitieron la síntesis de amoníaco de una manera similar a los catalizadores convencionales de nitruro de metal activo/tierra rara. "El nitrógeno reticular y la vacante de nitrógeno en La-Al-N desempeñan un papel clave en la adsorción de N2, siendo el soporte de La-Al-N y el metal activo Ni los responsables de la absorción y activación de N2 y H2, respectivamente", añadió el profesor. Hosono.
El proceso Haber-Bosch es una reacción química que consume mucha energía y representa aproximadamente el 1 % de las emisiones anuales mundiales de dióxido de carbono. Si bien se están investigando enfoques alternativos para la producción de NH3 respetuosos con el medio ambiente, la introducción de catalizadores económicos podría proporcionar beneficios inmediatos al permitir que el proceso funcione en condiciones más suaves.
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El proceso de Haber-Bosch podría retener más CO2 en el crecimiento de las plantas del que produce el proceso.
Entonces, el negocio del amoníaco ha sido últimamente inmensamente rentable. Eso y la última década han visto aumentar el precio del amoníaco para fertilizantes unas 10 veces.
Es suficiente para hacer que casi todos esperen que esta tecnología se amplíe comercialmente y no caiga en las garras de los magnates de los fertilizantes.
Será interesante ver qué tecnología prevalece. Separar el agua no está libre de energía, pero tampoco separar el hidrógeno del metano del gas natural.
Si esta tecnología no desaparece, finalmente podríamos descubrirlo.
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