La soluzione a un mistero sui materiali vecchio di 75 anni potrebbe un giorno consentire agli agricoltori dei paesi in via di sviluppo di produrre il proprio fertilizzante su richiesta, utilizzando la luce solare e l'azoto dell'aria.

Grazie a una sorgente di raggi X specializzata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno confermato l'esistenza di un'interazione a lungo ipotizzata tra azoto e biossido di titanio (TiO ₂ ) - un comune materiale fotoattivo noto anche come titania, in presenza di luce. Si ritiene che la reazione catalitica utilizzi atomi di carbonio trovati come contaminanti sulla titania.

Se la reazione di fissazione dell'azoto può essere aumentata, potrebbe un giorno aiutare a potenziare la produzione di fertilizzanti su scala agricola che potrebbe ridurre la dipendenza da impianti di produzione centralizzati ad alta intensità di capitale e sistemi di distribuzione costosi che fanno aumentare i costi per gli agricoltori in aree isolate del mondo. La maggior parte del fertilizzante mondiale è ora prodotto utilizzando l'ammoniaca prodotta dal processo Haber-Bosch, che richiede grandi quantità di gas naturale.

"Negli Stati Uniti, abbiamo un eccellente sistema di produzione e distribuzione di fertilizzanti. Però, molti paesi non possono permettersi di costruire impianti Haber-Bosch, e potrebbe anche non avere infrastrutture di trasporto adeguate per importare fertilizzanti. Per queste regioni, la fissazione fotocatalitica dell'azoto potrebbe essere utile per la produzione di fertilizzanti su richiesta, "ha detto Marta Hatzell, un assistente professore presso la Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. "In definitiva, questo potrebbe essere un processo a basso costo che potrebbe rendere i nutrienti a base di fertilizzanti disponibili per una più ampia gamma di agricoltori".

Hatzell e il collaboratore Andrew Medford, un assistente professore presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech, stanno lavorando con gli scienziati dell'International Fertilizer Development Center (IFDC) per studiare i potenziali impatti del processo di reazione. La ricerca è stata segnalata il 29 ottobre nel Giornale della Società Chimica Americana .

La ricerca è iniziata più di due anni fa quando Hatzell e Medford hanno iniziato a collaborare su un mistero sui materiali originato da un articolo del 1941 pubblicato da Seshacharyulu Dhar, uno scienziato del suolo indiano che ha riferito di aver osservato un aumento dell'ammoniaca emessa dal compost sottoposto alla luce. Dhar ha suggerito che una reazione fotocatalitica con i minerali nel compost potrebbe essere responsabile dell'ammoniaca.

Da quel foglio, altri ricercatori hanno riportato la fissazione dell'azoto sulla produzione di titanio e ammoniaca, ma i risultati non sono stati costantemente confermati sperimentalmente.

Medford, un teorico, ha lavorato con l'assistente di ricerca laureato Benjamin Comer per modellare i percorsi chimici che sarebbero stati necessari per fissare l'azoto sulla titania per creare potenzialmente ammoniaca usando reazioni aggiuntive. I calcoli suggerivano che il processo proposto era altamente improbabile su titanio puro, e i ricercatori non sono riusciti a vincere una borsa di studio che avevano proposto di utilizzare per studiare il misterioso processo. Però, sono stati assegnati tempo sperimentale sulla sorgente di luce avanzata presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che ha permesso loro di testare finalmente una componente chiave dell'ipotesi.

L'attrezzatura specializzata del laboratorio ha permesso a Hatzell e allo studente laureato Yu-Hsuan Liu di utilizzare la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per esaminare la superficie della titania come azoto, acqua e ossigeno hanno interagito con le superfici sotto pressione quasi ambiente al buio e alla luce. All'inizio, i ricercatori non hanno visto fissazione fotochimica dell'azoto, ma mentre gli esperimenti continuavano, hanno osservato un'interazione unica tra azoto e titanio quando la luce era diretta sulla superficie dei minerali.

A cosa si deve l'iniziale mancanza di risultati? Hatzell e Medford credono che la contaminazione superficiale con carbonio, probabilmente da un idrocarburo, sia una parte necessaria del processo catalitico per la riduzione dell'azoto sul titania. "Prima del test, i campioni vengono puliti per rimuovere quasi tutte le tracce di carbonio dalla superficie, tuttavia durante gli esperimenti il ​​carbonio proveniente da varie fonti (gas e camera a vuoto) può reintrodurre tracce di carbonio nel campione, "Ha spiegato Hatzell. "Quello che abbiamo osservato è che le specie di azoto ridotto sono state rilevate solo se c'era un grado di carbonio sul campione".

L'ipotesi della contaminazione da idrocarburi spiegherebbe perché la ricerca precedente aveva fornito risultati incoerenti. Il carbonio è sempre presente in tracce su titania, ma ottenere la giusta quantità e tipo può essere la chiave per far funzionare la reazione ipotizzata.

"Pensiamo che questo spieghi i risultati sconcertanti che erano stati riportati in letteratura, e speriamo che fornisca informazioni su come progettare nuovi catalizzatori utilizzando questo mistero vecchio di 75 anni, " Medford ha detto. "Spesso i migliori catalizzatori sono materiali che sono molto incontaminati e realizzati in una camera bianca. Qui hai esattamente l'opposto:questa reazione ha effettivamente bisogno delle impurità, che potrebbe essere vantaggioso per applicazioni sostenibili in agricoltura."

I ricercatori sperano di confermare sperimentalmente il ruolo del carbonio con i prossimi test presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), che consentirà loro di sondare direttamente il carbonio durante il processo di fissazione dell'azoto fotocatalitico. Sperano anche di saperne di più sul meccanismo catalitico in modo da poter controllare meglio la reazione per migliorare l'efficienza, che attualmente è meno dell'uno per cento.

La ricerca riportata sulla rivista non ha misurato l'ammoniaca, ma Hatzell e i suoi studenti da allora lo hanno rilevato nei test su scala di laboratorio. Poiché l'ammoniaca è attualmente prodotta a livelli così bassi, i ricercatori hanno dovuto prendere precauzioni per evitare la contaminazione a base di ammoniaca. "Anche il nastro utilizzato sulle apparecchiature può creare piccole quantità di ammoniaca che possono influenzare le misurazioni, "Ha aggiunto Medford.

Sebbene le quantità di ammoniaca prodotta dalla reazione siano attualmente basse, Hatzell e Medford credono che con i miglioramenti dei processi, i vantaggi della produzione di fertilizzanti in loco in condizioni favorevoli potrebbero superare tale limitazione.

"Anche se all'inizio può sembrare ridicolo da un punto di vista pratico, se si guarda effettivamente alle esigenze del problema e al fatto che la luce solare e l'azoto dall'aria sono liberi, in base ai costi inizia a sembrare più interessante, " ha detto Medford. "Se potessi gestire un impianto di produzione di ammoniaca su piccola scala con una capacità sufficiente per una fattoria, hai fatto subito la differenza."

Hatzell attribuisce alla scienza della superficie all'avanguardia il merito di aver finalmente fornito una spiegazione al mistero.

"Dal momento che gli investigatori precedenti hanno esaminato questo, sono stati compiuti progressi significativi nel campo della misurazione e della scienza delle superfici, " ha detto. "La maggior parte delle misurazioni di scienze di superficie richiedono l'uso di condizioni di vuoto ultra-alto che non imitano l'ambiente catalitico che si intende indagare. L'XPS a pressione ambiente presso il Lawrence Berkeley National lab, ci ha permesso di fare un passo avanti nell'osservare questa reazione nel suo ambiente nativo".