La nostra società ha più che mai bisogno di ammoniaca. Fertilizzanti chimici, plastica, fibre, prodotti farmaceutici, refrigeranti nelle pompe di calore, e anche gli esplosivi usano tutti l'ammoniaca come materia prima. Inoltre, l'ammoniaca è stata recentemente suggerita come vettore di idrogeno a causa del suo alto contenuto di idrogeno.

Nel processo Haber-Bosch, che è il metodo principale di sintesi dell'ammoniaca, l'azoto reagisce con l'idrogeno utilizzando un catalizzatore metallico per produrre ammoniaca. Però, questo processo industriale viene condotto a 200 atm e ad alte temperature di reazione di circa 500°C. Inoltre, la produzione di ammoniaca richiede l'utilizzo di molto gas naturale, quindi gli scienziati hanno cercato metodi alternativi per sintetizzare in modo sostenibile l'ammoniaca a bassa temperatura.

In un recente studio, ricercatori della Waseda University e Nippon Shokubai Co. Ltd. hanno ottenuto una sintesi dell'ammoniaca altamente efficiente a bassa temperatura, con la resa più alta mai registrata.

"Applicando un campo elettrico al catalizzatore utilizzato nel nostro esperimento, abbiamo realizzato un efficiente, processo su piccola scala per la sintesi dell'ammoniaca in condizioni molto blande, " afferma il professor Yasushi Sekine della Waseda University. "Utilizzando questo nuovo metodo, possiamo raccogliere ammoniaca altamente pura come liquido compresso e aprire le porte allo sviluppo di impianti di produzione di ammoniaca su richiesta che funzionano con energia rinnovabile."

Questa ricerca è stata pubblicata in Scienze chimiche .

Nel 1972, è stato scoperto che il catalizzatore ruthernium (Ru) con metalli alcalini riduce le temperature e le pressioni di reazione necessarie per la lavorazione Haber-Bosch, e diversi metodi sono stati suggeriti da questa scoperta. Sfortunatamente, la velocità di sintesi dell'ammoniaca è stata ostacolata da limitazioni cinetiche.

"Abbiamo applicato un campo elettrico in corrente continua al catalizzatore Ru-CS per la nostra sintesi dell'ammoniaca. Il nostro gruppo di ricerca ha ottenuto un campo di ammoniaca notevolmente elevato di circa 30 mmol gcat-1h-1 con un'elevata efficienza energetica di produzione. Per non parlare, questo è stato fatto a basse temperature e pressioni di reazione da atmosferica a 9 atm, che è cineticamente controllabile. Anche il consumo di energia per produrre ammoniaca è stato molto basso".

Il modo in cui i ricercatori sono stati in grado di ottenere tali risultati potrebbe essere spiegato da un meccanismo chiamato surface proton hopping, una conduzione superficiale unica innescata da un campo elettrico.

"Le nostre indagini sperimentali, compresa l'osservazione al microscopio elettronico, misurazioni di spettroscopia infrarossa, e test di scambio isotopico utilizzando gas azoto, dimostrare che il salto di protoni gioca un ruolo importante nella reazione, in quanto attiva il gas azoto anche a basse temperature e modera le condizioni gravose richieste, " spiega il professor Sekine.

La nuova tecnica affronta anche gli ostacoli nella sintesi convenzionale dell'ammoniaca, come l'avvelenamento da idrogeno dei catalizzatori Ru e il ritardo nella dissociazione dell'azoto. Per di più, i risultati della ricerca suggeriscono che su scala più piccola, potrebbe essere realizzata una produzione di ammoniaca più dispersa, e sarà possibile costruire impianti di ammoniaca ad alta efficienza che funzionano con energia rinnovabile. Si prevede che tali impianti di ammoniaca produrranno da 10 a 100 tonnellate di ammoniaca al giorno. Il professor Sekine ritiene che le loro scoperte saranno importanti per le future fonti di energia e materiali.