Come può un fotocatalizzatore convertire l'azoto in ammoniaca usando acqua e luce? Con la collaborazione internazionale, ricercatori provenienti da Cina e Singapore hanno studiato l'ingegneria all'avanguardia dei fotocatalizzatori per la fissazione dell'azoto (N2) per comprendere la sintesi dell'ammoniaca (NH3). Il lavoro è stato segnalato in Orizzonti di materiali .

N2 è uno dei gas più abbondanti sulla Terra, che comprende il 78% dell'atmosfera. Tuttavia, L'N2 allo stato gassoso non può essere utilizzato in modo efficiente dalla maggior parte degli organismi. Perciò, N2 deve essere "fissato" per renderlo utile rompendo i tripli legami N≡N ultra forti per trasformarlo in una forma che può essere consumata dalle piante, animali ed esseri umani. Ad oggi, ci sono due metodi tipici per realizzare la fissazione di N2. Uno è un processo naturale e batterico, e un altro, il processo Haber-Bosch, è sintetico. Negli ultimi 100 anni, la conversione dell'N2 ha portato alla produzione su larga scala di fertilizzanti e ha sostenuto la fornitura di cibo per la popolazione mondiale.

"Il processo Haber-Bosch utilizza temperature e pressioni elevate, richiedendo così una quantità enorme (circa il 2%) della fornitura mondiale di combustibili fossili. Perciò, prevediamo che un processo alternativo che impiega nanomateriali che assorbono l'energia della luce per imitare la fotosintesi naturale nelle piante potrebbe servire come cambiamento di paradigma per fissare l'azoto, " ha detto il dottor Wee-Jun Ong, uno scienziato ricercatore dell'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali (IMRE).

"Rispetto al processo catalitico termochimico, la fotosintesi artificiale è considerata una via sostenibile per immagazzinare energia solare rinnovabile sotto forma di prodotti chimici ad alta densità energetica, " Ong ha detto. "La reazione termodinamica non spontanea può essere ottenuta tramite una combinazione di scissione dell'acqua e riduzione di N2 su un fotocatalizzatore in presenza di luce solare, " Lui ha spiegato.

In un recente articolo apparso su Orizzonti di materiali , Ong e i suoi colleghi presentano un rapporto sullo stato di avanzamento del fissaggio fotocatalitico di N2, che è naturalmente innescato dall'azione dei microbi. "Classifichiamo i fotocatalizzatori in base alle composizioni chimiche che vanno dall'ossido di metallo al solfuro di metallo, ossialogenuri di bismuto, nanomateriali carboniosi e altri potenziali materiali. Evidenziamo l'importanza e la relazione tra la modifica, ad es. progettazione di nanoarchitettura, ingegneria delle sfaccettature del cristallo, doping, ed eterostrutturazione e influenze sull'attività fotocatalitica dei catalizzatori progettati, " nota Xingzhu Chen, il primo autore dell'articolo, che riassume i risultati.

"A giudicare dalla letteratura esistente in questa piattaforma di ricerca in questo frangente, catalizzatori assistiti da computer progettati tramite calcoli di chimica quantistica per la fotofissazione di N2 sarebbero uno strumento robusto per simulare stati elettronici e percorsi di reazione verso un eccellente assorbimento della luce solare e le prestazioni selettive della catalisi, " ha detto Ong.

Anche se attualmente ci sono molti fattori che ostacolano la scissione e l'idrogenazione di N2, le condizioni di reazione sono diventate più miti nel corso degli anni:l'aria e la luce visibile sono state gradualmente adottate come azoto e fonte di luce invece dell'azoto puro e dell'irradiazione ultravioletta (UV). Però, le conoscenze sul meccanismo di reazione fotocatalitica sono state finora inadeguate, nonostante la complessità della reazione di fissazione di N2. "Sono necessarie tecniche avanzate di caratterizzazione in situ o operando per esaminare le intuizioni atomiche nella reattività e per comprendere le dinamiche dei portatori di carica dello stato eccitato, " ha detto Ong.

Qual è il prossimo? I ricercatori sperano di tradurre dal livello di laboratorio alle applicazioni industriali, e amplificare la resa dei catalizzatori mantenendo le strutture intrinseche per la commercializzazione dell'ammoniaca rinnovabile.

Il dottor Ong ha detto, "Guardando alle prospettive a lungo termine, siamo certi che il nostro lavoro fornirà una base importante per la prossima era di ricerca non solo nella fissazione fotocatalitica di N2 in particolare, ma anche nei campi interdisciplinari della chimica, scienza dei materiali, conversione e accumulo di energia".

Oltre alla fissazione dell'N2 solare, Dott. Ong, Il prof. Li e il loro team hanno cercato il design intelligente di fotocatalizzatori in grado di rendere la scissione dell'H2O e la riduzione della CO2 più efficaci e sostenibili attraverso l'energia solare tramite analisi sperimentali e computazionali. Sono in corso i lavori per la conversione dei combustibili da solare a energia.