Ammoniaca prodotta elettrochimicamente. Credito:Jakob Kibsgaard
ammoniaca (NH 3 ) è una delle sostanze chimiche più prodotte, con una produzione globale di 170 megatoni all'anno. È l'ingrediente chiave nella produzione di fertilizzanti, e svolge quindi un ruolo fondamentale nel sostenere la popolazione mondiale. Però, più dell'1 per cento dell'energia globale è consumato dalla produzione di ammoniaca, che comporta la reazione del diazoto (N 2 ) da aria e diidrogeno (H 2 ), attraverso il processo Haber-Bosch.
Sebbene l'industria abbia visto alcuni progressi in termini di efficienza, gli atomi di idrogeno in ammoniaca sono derivati dal combustibile fossile metano (CH 4 ), e anidride carbonica (CO 2 ) è prodotto come sottoprodotto. In altre parole, il processo Haber Bosch è insostenibile. Inoltre, richiede alte temperature e pressioni, il che significa che può essere prodotto solo in grandi reattori centralizzati, lontano dal punto di consumo. Di conseguenza, le sfide logistiche e di sicurezza del trasporto di ammoniaca, che è sia tossico che corrosivo, impedire a molti potenziali utenti di poterlo utilizzare, soprattutto nei paesi in via di sviluppo.
Per molti anni, gli scienziati hanno quindi lavorato duramente per trovare un'alternativa, metodo elettrochimico di sintesi dell'ammoniaca, che potrebbe essere alimentato da energia rinnovabile e prodotto su base localizzata, al punto di utilizzo. Ci sono grandi sfide da risolvere, sia scientifiche che tecniche, prima che il processo possa diventare scalabile e redditizio.
Gli studi sperimentali, finora, non sono stati in grado di eguagliare l'efficienza del processo Haber-Bosch dominante. Inoltre, molti di questi studi non riescono ad escludere la contaminazione dovuta all'ammoniaca o ad altri composti contenenti azoto già presenti nell'aria, respiro umano, membrane conduttrici di ioni o anche il catalizzatore stesso.
Un nuovo studio in Natura da un team internazionale di scienziati della Technical University of Denmark (DTU), La Stanford University e l'Imperial College di Londra evidenziano questo problema.
"La sintesi dell'ammoniaca attraverso processi elettrochimici sta riscuotendo un enorme interesse, non solo da ricercatori accademici, ma anche dall'industria e dal governo. Questo interesse è guidato dalla necessità di rendere la produzione di ammoniaca meno dipendente dai combustibili fossili. Però, molti gruppi accademici non riescono a dimostrare che l'ammoniaca sia effettivamente derivata dal N 2 molecola. Ciò è in parte dovuto alle quantità molto piccole di ammoniaca prodotta che fanno sì che anche piccole contaminazioni producano un falso positivo, " afferma il Professore Associato Jakob Kibsgaard al DTU.
Il protocollo proposto dagli scienziati utilizza azoto-15 (15N 2 ), un isotopo che permette loro di rilevare e quantificare l'elettroriduzione di N 2 all'ammoniaca. Attraverso questo metodo, sono in grado di separare gli effetti della contaminazione spuria dal vero N 2 riduzione.
"Se i processi elettrochimici diventano più efficienti, l'etichettatura degli isotopi diventerà meno problematica, poiché produrremo quantità maggiori di ammoniaca. Comunque, abbiamo studi in uscita al momento che non rispettano nemmeno i protocolli più basilari per garantire che i risultati siano validi, ", afferma il Senior Lecturer Ifan E. L. Stephens all'Imperial College di Londra.
Usando il loro protocollo, gli scienziati hanno dimostrato che un metodo riportato nel 1993 da un altro team di scienziati (del Tokyo Institute of Technology), produce inequivocabilmente ammoniaca derivata da N 2 . Sebbene molti studi debbano essere rivalutati, il risultato attuale è significativo, in quanto dimostra che la produzione elettrochimica di ammoniaca è effettivamente fattibile.
"Speriamo che questo documento ricordi alla comunità di ricerca di utilizzare gli esperimenti e i protocolli di controllo adeguati per valutare correttamente la loro ricerca. Facciamo tutti parte di un campo emergente che potrebbe avere un impatto molto positivo sulla produzione di ammoniaca e sulla CO globale 2 emissioni. Di conseguenza, dobbiamo essere sicuri di fare buon uso del nostro tempo in laboratorio e questa ricerca potrebbe aiutarci a farlo", afferma il professor Ib Chorkendorff al DTU.
