La ricerca di un metodo di produzione di ammoniaca per fertilizzante più efficiente dal punto di vista energetico ed ecologico ha portato alla scoperta di un nuovo tipo di reazione catalitica.

I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy hanno utilizzato picchi di carbonio su scala nanometrica per catalizzare una reazione che genera ammoniaca da azoto e acqua, aiutato dal sale di litio e dall'applicazione di un campo elettrico. Lo studio, pubblicato in Progressi scientifici , rivela un tipo di catalizzatore che è stato teoricamente suggerito ma mai dimostrato.

"E' un catalizzatore che funziona completamente in base al campo elettrico; questo non è mai stato osservato per l'azoto, " ha detto Adam Rondinone di ORNL, l'autore principale dello studio. "Lo chiamiamo catalizzatore fisico:normalmente un catalizzatore è chimico".

Ammoniaca, un composto formato da un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno, è tipicamente prodotto attraverso l'approccio Haber-Bosch ad alta intensità energetica. Questo processo utilizza temperature e pressioni elevate per dividere i legami stabili dell'azoto molecolare, richiedono grandi quantità di gas naturale. La produzione industriale di ammoniaca consuma circa il 3% dell'energia mondiale e genera dal 3 al 5% delle emissioni mondiali di gas serra.

"La produzione di ammoniaca è un problema enorme che dobbiamo trovare il modo di affrontare, " ha detto Rondinone. " Nel perseguimento di questo obiettivo, abbiamo scoperto un meccanismo di reazione che ci offre un nuovo percorso".

A differenza di Haber-Bosch, il processo della squadra avviene a temperatura ambiente in una soluzione di acqua, gas di azoto disciolto e sale di perclorato di litio, con l'aiuto di un catalizzatore unico sotto forma di picchi di carbonio su scala nanometrica. Queste punte, solo 50-80 nanometri di lunghezza e un nanometro di larghezza alla punta, agiscono come punti caldi per amplificare il campo elettrico e attirare ioni di litio carichi positivamente. Si ipotizza che il litio trascini molecole di azoto, che si concentrano attorno alle punte di carbonio elettrificate e iniziano a reagire per formare ammoniaca.

"Ogni catalizzatore normale opera formando un legame chimico tra la molecola reattiva e la superficie del catalizzatore. In questo caso, non è necessario alcun legame chimico. È semplicemente l'alto campo elettrico che consente alla reazione di procedere, " Disse Rondinone.

La bassa resa della reazione - circa il 12% - ne limita la fattibilità per l'uso industriale, ma la scoperta della sua elettrochimica unica può aiutare a sviluppare approcci alternativi alla generazione di ammoniaca.

I ricercatori hanno anche utilizzato la modellazione computazionale e la simulazione per comprendere i risultati sperimentali. Hanno calcolato le previsioni teoriche del campo elettrico, l'arricchimento di ioni attorno ai picchi di carbonio e le energie orbitali molecolari dell'azoto per descrivere come le molecole si sono destabilizzate nel campo elettrico.

"A causa delle punte affilate dei nanospike, il campo elettrico locale è infatti molto forte, nell'ordine di 10 volt per nanometro, " ha affermato il teorico dell'ORNL Jingsong Huang. "Abbiamo eseguito calcoli per studiare il potenziale di ionizzazione e l'affinità elettronica dell'azoto sotto campi elettrici applicati, e quei calcoli suggeriscono che altrimenti l'azoto inerte diventa reattivo".

Lo studio è pubblicato come "Un catalizzatore fisico per l'elettrolisi dell'azoto nell'ammoniaca".

I coautori sono Yang Song di ORNL, Daniele Johnson, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Jingsong Huang, Arthur Baddorf, Timothy Tschaplinski, Nancy Engle, Zili Wu, David Cullen, Harry Meyer III, Bobby Sumpter e Adam Rondinone, Fengchang Yang di Virginia Tech, Fei Zhang e Rui Qiao, e Marta Hatzell di Georgia Tech.