Ammoniaca, un composto sintetizzato per la prima volta circa un secolo fa, ha dozzine di usi moderni ed è diventato essenziale nella produzione del fertilizzante che ora sostiene la maggior parte della nostra produzione alimentare globale.

Ma mentre produciamo ammoniaca su larga scala dagli anni '30, è stato realizzato principalmente in enormi impianti chimici che richiedono grandi quantità di gas idrogeno da combustibili fossili, rendendo l'ammoniaca tra le sostanze chimiche più energivore tra tutte le sostanze chimiche di grandi volumi.

Una coppia di ricercatori della Case Western Reserve University, uno esperto in sintesi elettrochimica, l'altro nelle applicazioni dei plasmi, stanno lavorando per risolverlo.

I ricercatori Julie Renner e Mohan Sankaran hanno escogitato un nuovo modo per creare ammoniaca dall'azoto e dall'acqua a bassa temperatura e bassa pressione. Finora lo hanno fatto con successo in laboratorio senza utilizzare l'idrogeno o il catalizzatore metallico solido necessario nei processi tradizionali.

"Il nostro approccio, un processo elettrolitico con un plasma, è completamente nuovo, " disse Mohan Sankaran, il Goodrich Professor of Engineering Innovation presso la Case School of Engineering.

plasma, spesso indicato come il quarto stato della materia (a parte il solido, liquido o gas), sono nuvole ionizzate di gas, costituito da ioni positivi ed elettroni liberi, che gli conferiscono la capacità unica di attivare i legami chimici, compresa la molecola di azoto piuttosto impegnativa, a temperatura ambiente.

Renner, un Climo Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare, ha aggiunto che poiché questo nuovo processo non necessita di alta pressione o alta temperatura o idrogeno, lo rende scalabile:"il tipo di tecnologia ideale per un impianto molto più piccolo, uno con un alto potenziale per essere alimentato da energia rinnovabile."

I risultati della loro collaborazione biennale sono stati pubblicati questo mese sulla rivista Progressi scientifici .

Lezione di storia:Il processo Haber-Bosch

Praticamente tutta l'ammoniaca commerciale è composta da azoto e idrogeno, utilizzando un catalizzatore di ferro ad alta temperatura e pressione.

Il chimico fisico tedesco Fritz Haber ricevette il premio Nobel per la chimica nel 1918 per aver sviluppato questo processo, che ha reso la produzione di ammoniaca economicamente fattibile.

Ma il processo divenne economicamente più redditizio quando il chimico industriale Carl Bosch (che vinse anche un premio Nobel nel 1931) portò il metodo in un sistema su larga scala. Il processo è stato ulteriormente spinto da una seconda innovazione:lo sviluppo del reforming del metano a vapore che ha reso l'idrogeno più accessibile e meno costoso.

Così, quello che divenne noto come il processo Haber-Bosch divenne il metodo globale per fissare azoto e idrogeno per produrre ammoniaca.

Ma Haber-Bosch non è mai stato l'unico approccio alla fissazione dell'azoto, era solo il vincitore di inizio secolo.

Una nuova, il vecchio metodo sorge

Renner e Sankaran hanno resuscitato un elemento da un metodo norvegese poco conosciuto che precedette Haber-Bosch (il processo Birkeland-Eyde) che faceva reagire azoto e ossigeno per produrre nitrati, un'altra sostanza chimica che può essere utilizzata in agricoltura. Quel processo ha perso per Haber-Bosch soprattutto perché ha richiesto ancora più energia sotto forma di elettricità, una risorsa limitata all'inizio del XX secolo.

"Il nostro approccio è simile alla sintesi elettrolitica dell'ammoniaca, che ha suscitato interesse come alternativa a Haber-Bosch perché integrabile con energie rinnovabili, " Disse Sankaran. "Tuttavia, come il processo Birkeland-Eyde, usiamo un plasma, che è ad alta intensità energetica. L'elettricità è ancora una barriera, ma meno adesso, e con l'aumento delle rinnovabili, potrebbe non essere affatto una barriera in futuro.

"E forse più significativamente, il nostro processo non produce gas idrogeno, " ha detto. "Questo è stato il principale collo di bottiglia di altri approcci elettrolitici alla formazione di ammoniaca dall'acqua (e dall'azoto), la formazione indesiderabile di idrogeno."

Il processo Renner-Sankaran inoltre non utilizza un catalizzatore metallico solido che potrebbe essere uno dei motivi per cui si ottiene l'ammoniaca al posto dell'idrogeno.

"Nel nostro sistema, l'ammoniaca si forma all'interfaccia tra un plasma gassoso e una superficie di acqua liquida e si forma liberamente in soluzione, " Disse Sankara.

Finora, i "lotti da tavolo" di ammoniaca prodotti dal duo sono stati molto piccoli e l'efficienza energetica è ancora inferiore a quella di Haber-Bosch. Ma con una continua ottimizzazione, la loro scoperta e sviluppo di un nuovo processo potrebbe un giorno portare a minori, impianti di ammoniaca più localizzati che utilizzano energia verde.