Steven McIntosh vuole trasformare il modo in cui viene prodotta l'ammoniaca. Spera di creare una valida alternativa al metodo convenzionale, che utilizza enormi quantità di energia ed emette anidride carbonica nociva. Sta esplorando un metodo elettrochimico sostenibile per guidare in modo efficiente la reazione chimica che produce ammoniaca.

L'ammoniaca è un gas incolore composto da un azoto e tre atomi di idrogeno. Il processo Haber-Bosch, creato dai chimici tedeschi Fritz Haber e Carl Bosch all'inizio del XX secolo, ha il merito di aver reso possibile la produzione alimentare di massa, poiché il principale uso industriale dell'ammoniaca è in agricoltura come fertilizzante.

Il processo Haber, come è ampiamente noto, combina l'azoto dell'aria con l'idrogeno derivato dal gas naturale, costituito principalmente da metano, in una reazione chimica che opera ad altissima pressione. In questo metodo convenzionale, ferro da stiro, il catalizzatore utilizzato, facilmente "rompe" gli atomi di idrogeno. Però, è necessaria un'enorme quantità di pressione per "spingere" l'azoto sul catalizzatore per stimolare la reazione. Inoltre, il processo di generazione dell'idrogeno dal metano emette nell'atmosfera grandi quantità di anidride carbonica, gas serra.

La produzione di ammoniaca consuma dall'1 al 2% dell'energia globale totale ed è responsabile di circa il 3% delle emissioni globali di anidride carbonica.

Considerando la necessità di un aumento della produzione alimentare a seguito della crescita della popolazione - 2 miliardi di persone verranno aggiunte al pianeta entro il 2050 - è chiaro che deve essere creato un metodo sostenibile per produrre ammoniaca.

McIntosh lo mette in modo più succinto:"Il processo di produzione dell'ammoniaca è fondamentale per la sopravvivenza umana, non è cambiato in più di cento anni ed è un grande inquinatore. È ora di cambiare".

McIntosh, professore di ingegneria chimica e biomolecolare alla Lehigh University, sta esplorando un metodo per produrre ammoniaca che potrebbe stimolare un tale cambiamento utilizzando l'elettricità per guidare la reazione chimica. Il suo metodo eliminerebbe la necessità di usare l'alta pressione per rompere i legami di azoto. E, perché ricava idrogeno dall'acqua invece che dal gas naturale, non ci sarebbero emissioni di anidride carbonica. Il suo principale sottoprodotto sarebbe l'ossigeno.

McIntosh ha recentemente ricevuto una borsa di studio collaborativa di tre anni dalla National Science Foundation (NSF) per supportare questa ricerca. McIntosh guiderà il team di Lehigh come investigatore principale in stretta collaborazione con un team dell'Università della Pennsylvania, Professori Raymond J. Gorte, John M. Vohs e Aleksandra Vojvodic.

In un cambiamento di paradigma trasformativo McIntosh e i suoi colleghi studieranno un metodo per produrre ammoniaca da idrogeno e azoto utilizzando un conduttore di protoni, ceramica, cella elettrochimica ad ossido solido. La loro ipotesi centrale è che la pressione atmosferica, la sintesi dell'ammoniaca può essere realizzata guidando elettrochimicamente l'idrogeno su superfici catalitiche che sono normalmente limitate dall'elevata copertura di nitruri.

"Abbiamo in programma di sperimentare utilizzando diversi catalizzatori, come il tungsteno, che normalmente sarebbe coperto di azoto, sconvolgendo l'equilibrio di idrogeno e azoto necessario affinché la reazione abbia luogo, ", afferma McIntosh. "Risolveremo questo squilibrio applicando un potenziale elettrochimico per guidare l'idrogeno sulla superficie del catalizzatore e formare ammoniaca".

Il progetto sfrutterà i metodi di infiltrazione precedentemente sviluppati per la sintesi degli elettrodi nelle celle a combustibile ad ossido solido, che consente di utilizzare un'ampia gamma di materiali per gli elettrodi. Il team esplorerà anche conduttori misti elettronico-protonici che possono essere aggiunti all'elettrodo per migliorare il confine trifase in cui può verificarsi la reazione elettrochimica. La scelta degli elettrocatalizzatori sarà guidata da studi teorici complementari.

McIntosh descrive il metodo proposto come l'aggiunta di una "manopola aggiuntiva" - elettricità - al processo di produzione dell'ammoniaca.

"Con questo metodo, l'idrogeno verrà dall'acqua rendendolo una sorta di 'cella a combustibile inversa, "dice McIntosh.

Una cella a combustibile combina idrogeno e ossigeno per produrre acqua e nel processo crea elettricità. Il reattore proposto utilizzerà l'elettricità per dividere l'acqua per fornire l'idrogeno necessario nella sintesi dell'ammoniaca, eliminando la necessità di consumare gas naturale ed emettere anidride carbonica. Questo progetto si tradurrà in celle dimostrative su piccola scala che separano gli atomi di idrogeno e ossigeno che compongono l'acqua, utilizzando l'idrogeno ed emettendo l'ossigeno.

Secondo McIntosh, i ricercatori hanno provato metodi di produzione di ammoniaca simili, ma sono stati in grado di produrre pochissima ammoniaca. Quando si tratta di ammoniaca, la capacità di produrlo su scala industriale è ciò che conta.

Ecco perché uno degli obiettivi principali del progetto è produrre un tasso ragionevole di produzione di ammoniaca. Un altro obiettivo è dimostrare ciò che secondo McIntosh è la potenziale "modularità" di questa tecnica.

In definitiva, questo nuovo modo di produrre ammoniaca potrebbe essere parte di uno sforzo più ampio per rendere la produzione alimentare più verde e più sostenibile.

"La produzione di ammoniaca con il metodo convenzionale richiede un'enorme fonte di energia, il che significa che deve essere prodotta in un unico luogo e quindi spedita, aggiungendo all'inefficienza del metodo, " dice McIntosh. "La speranza è che un giorno l'ammoniaca possa essere prodotta in loco utilizzando una cella modulare come quella che stiamo esplorando, alimentato da una fonte di elettricità locale come pannelli solari o turbine eoliche".