Più di 100 anni dopo l'introduzione del processo Haber-Bosch, gli scienziati continuano a cercare percorsi alternativi per la produzione di ammoniaca che richiedono meno energia. Gli scienziati cinesi hanno ora scoperto che il fosforo nero è un eccellente catalizzatore per l'elettroriduzione dell'azoto in ammoniaca. Secondo il loro studio pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie , nanofogli stratificati di fosforo nero sono un catalizzatore altamente selettivo ed efficiente in questo processo.

L'ammoniaca è una materia prima essenziale in tutti i settori industriali, dall'agricoltura alla chimica fine e all'industria farmaceutica. Da più di un secolo, è stato sintetizzato industrialmente dal processo Haber-Bosch, in cui l'azoto dall'aria viene ridotto con idrogeno o gas di sintesi ad alta pressione e temperatura su un catalizzatore di metallo di transizione. Però, la domanda di energia di questo processo è così alta che l'uno-due per cento dell'approvvigionamento energetico globale è dedicato alla produzione industriale di ammoniaca.

I ricercatori sono alla ricerca di alternative più blande, che impiegano catalizzatori che operano in condizioni ambientali. Sono particolarmente desiderabili alternative prive di metallo. Un candidato molto interessante è il fosforo nella sua più bassa reattività, forma non tossica:fosforo nero. Questo materiale è una stella nascente nelle applicazioni elettroniche grazie al suo aspetto simile al metallo e alle insolite proprietà elettroniche. Inoltre, la sua struttura a foglio bidimensionale increspata può fornire i bordi e i siti necessari per l'adsorbimento e l'attivazione molecolare.

Con questa idea in mente, ricercatore Haihui Wang presso la South China University of Technology, Canton, Cina, e colleghi, strati sottili preparati di fosforo nero sfuso, "con un facile metodo di esfoliazione liquida, " come dichiarato nella loro pubblicazione. I nanofogli di catalizzatore sono stati inclusi in un elettrodo in fibra di carbonio per l'elettrolisi. Per fornire una fornitura di azoto, una soluzione di elettrolita cloridrato è stata saturata con azoto.

Applicando una tensione, l'elettrodo produce prontamente e selettivamente ammoniaca dall'azoto, e il fosforo nero stratificato ha persino superato "la maggior parte dei catalizzatori non metallici e a base di metallo riportati attualmente, " hanno aggiunto gli autori. La straordinaria attività e selettività di questo materiale è spiegata dalla struttura e dall'energia dei fogli di fosforo.

Cosa c'è di così speciale nel fosforo? Con calcoli teorici, gli autori hanno scoperto che la disposizione a zigzag negli strati di fosforo, a differenza di altri materiali stratificati o piatti, forniva siti ideali per l'assorbimento dell'azoto e la struttura elettronica ai bordi era la più adatta per il legame, attivando, e la riduzione dell'azoto mediante una via a bassa energia.

Dopo aver spiegato la straordinaria attività e selettività del catalizzatore a strati di fosforo nero, gli autori hanno ammesso che, nonostante la stabilità generalmente buona del fosforo nero in condizioni ambientali, le sue prestazioni sono diminuite a lungo termine a causa dell'ossidazione. "Così, saranno utili ulteriori miglioramenti nella prevenzione della degradazione del fosforo nero nell'elettrolita, " hanno concluso.

Questo lavoro apre una nuova e interessante applicazione per il fosforo nero. Nella riduzione elettrocatalitica dell'azoto, le prestazioni del fosforo nero sono superiori ad altri catalizzatori non metallici e persino metallici, suggerendo che questo materiale potrebbe presto svolgere un ruolo maggiore nell'elettrocatalisi. In tempo, forse anche il processo Haber-Bosch avrà un concorrente.