Il processo SWAP in azione. Converte in modo efficiente il 90% della materia prima in ammoniaca in una volta sola, mentre il processo Haber-Bosch converte solo il 10 percento. Credito:2019 Yoshiaki Nishibayashi
L'ammoniaca, un gas incolore essenziale per cose come i fertilizzanti, può essere prodotta con un nuovo processo che è molto più pulito, più facile ed economico rispetto all'attuale metodo principale. I ricercatori di UTokyo utilizzano attrezzature di laboratorio prontamente disponibili, prodotti chimici riciclabili e un minimo di energia per produrre ammoniaca. Il loro processo di produzione di ammoniaca con samario e acqua (SWAP) promette di ridurre la produzione di ammoniaca e migliorare l'accesso ai fertilizzanti a base di ammoniaca per gli agricoltori di tutto il mondo.
Nel 1900, la popolazione mondiale era sotto i 2 miliardi, considerando che nel 2019, sono oltre 7 miliardi. Questa esplosione demografica è stata alimentata in parte dai rapidi progressi nella produzione alimentare, in particolare l'uso diffuso di fertilizzanti a base di ammoniaca. La fonte di questa ammoniaca era il processo Haber-Bosch, e anche se alcuni dicono che è uno dei successi più significativi di tutti i tempi, viene con un prezzo pesante.
Il processo Haber-Bosch converte solo il 10% del suo materiale di partenza per ciclo, quindi deve essere eseguito più volte per utilizzarlo tutto. Uno di questi materiali di partenza è l'idrogeno (H 2 ) prodotta utilizzando combustibili fossili. Questo è chimicamente combinato con azoto (N 2 ) a temperature di circa 400-600 gradi Celsius e pressioni di circa 100-200 atmosfere, anche a grande dispendio energetico. Il professor Yoshiaki Nishibayashi e il suo team del Dipartimento di innovazione dei sistemi dell'Università di Tokyo sperano di migliorare la situazione con il loro processo SWAP.
"In tutto il mondo, il processo Haber-Bosch consuma dal 3 al 5 percento di tutto il gas naturale prodotto, circa l'1 o il 2% dell'intero approvvigionamento energetico mondiale, " ha spiegato Nishibayashi. "Al contrario, le leguminose hanno batteri simbionti che fissano l'azoto che producono ammoniaca a temperature e pressioni atmosferiche. Abbiamo isolato questo meccanismo e decodificato il suo componente funzionale, la nitrogenasi".
Per molti anni, Nishibayashi e il suo team hanno utilizzato catalizzatori prodotti in laboratorio per cercare di riprodurre il modo in cui si comporta la nitrogenasi. Altri hanno provato, ma i loro catalizzatori producono solo da decine a diverse centinaia di molecole di ammoniaca prima di scadere. Lo speciale catalizzatore a base di molibdeno di Nishibayashi produce 4, 350 molecole di ammoniaca in circa quattro ore prima che scada.
Solfato di ammonio dal processo SWAP. L'ammoniaca potrebbe trovare un uso futuro come mezzo di stoccaggio dell'energia per le industrie delle energie rinnovabili. Credito:2019 Yoshiaki Nishibayashi
"Il nostro processo SWAP crea ammoniaca a 300-500 volte la velocità del processo Haber-Bosch e con un'efficienza del 90%, " ha continuato Nishibayashi. "Il fattore nel risparmio energetico gigantesco nel processo e nell'approvvigionamento delle materie prime e i benefici si vedono davvero".
Chiunque disponga dei materiali di base adeguati può eseguire SWAP su un laboratorio di chimica da tavolo, considerando che il processo Haber-Bosch richiede attrezzature industriali su larga scala. Questo potrebbe consentire l'accesso a coloro che non hanno il capitale per investire in così grandi, attrezzature costose. Le materie prime stesse sono un enorme risparmio in termini di costi ed energia.
"Una forte motivazione era rendere possibile il processo SWAP su scala desktop. Spero di vedere questo processo democratizzare la produzione di fertilizzanti, " ha detto Nishibayashi. "Quindi non si tratta solo dei costi iniziali, ma anche dei costi continui e del risparmio energetico delle materie prime. Il mio team propone questa idea per aiutare le pratiche agricole nei luoghi che ne hanno più bisogno".
SWAP assorbe azoto (N 2 ) dall'aria, come fa il processo Haber-Bosch, ma lo speciale catalizzatore a base di molibdeno combina questo con i protoni (H + ) da acqua ed elettroni (e - ) dal samario (SmI 2 ). Il samario, noto anche come reagente di Kagan, è attualmente estratto e viene utilizzato nel processo SWAP. Tuttavia, il samario può essere riciclato con l'elettricità per ricostituire i suoi elettroni persi e i ricercatori mirano a utilizzare fonti rinnovabili a basso costo per questo in futuro.
"Sono rimasto piacevolmente sorpreso quando abbiamo scoperto che qualcosa di così comune come l'acqua potrebbe servire come fonte di protoni; un catalizzatore di molibdeno normalmente non lo consente, ma il nostro è speciale, " ha concluso Nishibayashi. "È la prima reazione artificiale di fissazione dell'azoto a raggiungere una velocità vicina a quella che vediamo produrre la nitrogenasi in natura. E come il processo naturale, è passivo, pure, quindi meglio per l'ambiente. Spero che il lavoro della mia vita possa essere di grande beneficio per l'umanità".
Lo studio è pubblicato su Natura .
