La maggior parte del fertilizzante mondiale è prodotto in grandi impianti di produzione, che richiedono enormi quantità di energia per generare le alte temperature e pressioni necessarie per combinare azoto e idrogeno in ammoniaca.

Gli ingegneri chimici del MIT stanno lavorando per sviluppare un'alternativa su scala ridotta, che immaginano potrebbe essere utilizzato per produrre localmente fertilizzante per gli agricoltori in remoto, aree rurali, come l'Africa subsahariana. Il fertilizzante è spesso difficile da ottenere in tali aree a causa del costo del trasporto da grandi impianti di produzione.

In un passo verso quel tipo di produzione su piccola scala, il team di ricerca ha escogitato un modo per combinare idrogeno e azoto utilizzando la corrente elettrica per generare un catalizzatore al litio, dove avviene la reazione.

"Nel futuro, se immaginiamo come vogliamo che questo venga usato un giorno, vogliamo un dispositivo in grado di respirare aria, prendere in acqua, avere un pannello solare collegato ad esso, ed essere in grado di produrre ammoniaca. Questo potrebbe essere utilizzato da un agricoltore o da una piccola comunità di agricoltori, "dice Karthish Manthiram, un assistente professore di ingegneria chimica al MIT e autore senior dello studio.

Lo studente laureato Nikifar Lazouski è l'autore principale del documento, che appare oggi in Catalisi della natura . Altri autori includono gli studenti laureati Minju Chung e Kindle Williams, e lo studente universitario Michal Gala.

Scala più piccola

Da più di 100 anni, fertilizzante è stato prodotto utilizzando il processo Haber-Bosch, che combina l'azoto atmosferico con l'idrogeno gassoso per formare ammoniaca. L'idrogeno gassoso utilizzato per questo processo è solitamente ottenuto da metano derivato dal gas naturale o da altri combustibili fossili. L'azoto è molto poco reattivo, quindi sono necessarie alte temperature (500 gradi Celsius) e pressioni (200 atmosfere) per farlo reagire con l'idrogeno per formare ammoniaca.

Utilizzando questo processo, gli impianti di produzione possono produrre migliaia di tonnellate di ammoniaca al giorno, ma sono costosi da gestire ed emettono una grande quantità di anidride carbonica. Tra tutte le sostanze chimiche prodotte in grandi volumi, l'ammoniaca è il maggior contributore alle emissioni di gas serra.

Il team del MIT ha deciso di sviluppare un metodo di produzione alternativo in grado di ridurre tali emissioni, con l'ulteriore vantaggio di una produzione decentralizzata. In molte parti del mondo, ci sono poche infrastrutture per la distribuzione di fertilizzanti, rendendo costoso ottenere fertilizzanti in quelle regioni.

"La caratteristica ideale di un metodo di prossima generazione per produrre ammoniaca sarebbe che sia distribuita. In altre parole, potresti portare quell'ammoniaca vicino a dove ti serve, " Manthiram dice. "E idealmente, eliminerebbe anche la CO ₂ impronta che altrimenti esiste."

Mentre il processo Haber-Bosch utilizza calore e pressione estremi per costringere azoto e idrogeno a reagire, il team del MIT ha deciso di provare a utilizzare l'elettricità per ottenere lo stesso effetto. Ricerche precedenti hanno dimostrato che l'applicazione di tensione elettrica può spostare l'equilibrio della reazione in modo da favorire la formazione di ammoniaca. Però, è stato difficile farlo in modo economico e sostenibile, dicono i ricercatori.

La maggior parte degli sforzi precedenti per eseguire questa reazione a temperature e pressioni normali hanno utilizzato un catalizzatore al litio per rompere il forte triplo legame che si trova nelle molecole di gas azoto. Il prodotto risultante, nitruro di litio, può quindi reagire con atomi di idrogeno da un solvente organico per produrre ammoniaca. Però, il solvente tipicamente utilizzato, tetraidrofurano, o THF, è costoso ed è consumato dalla reazione, quindi deve essere continuamente sostituito.

Il team del MIT ha trovato un modo per utilizzare il gas idrogeno invece del THF come fonte di atomi di idrogeno. Hanno progettato un elettrodo a rete che consente al gas azoto di diffondersi attraverso di esso e di interagire con l'idrogeno, che si scioglie in etanolo, alla superficie dell'elettrodo.

Questo acciaio inossidabile, la struttura a rete è rivestita con il catalizzatore al litio, prodotto mediante placcatura di ioni di litio dalla soluzione. L'azoto si diffonde attraverso la rete e viene convertito in ammoniaca attraverso una serie di fasi di reazione mediate dal litio. Questa configurazione consente all'idrogeno e all'azoto di reagire a velocità relativamente elevate, nonostante il fatto che di solito non siano molto solubili in nessun liquido, il che rende più difficile reagire a ritmi elevati.

"Questo panno in acciaio inossidabile è un modo molto efficace per contattare il gas azoto con il nostro catalizzatore, pur avendo anche le connessioni elettriche e ioniche necessarie, "dice Lazouski.

Scissione dell'acqua

Nella maggior parte dei loro esperimenti sulla produzione di ammoniaca, i ricercatori hanno utilizzato gas azoto e idrogeno che fluiscono da una bombola di gas. Però, hanno anche dimostrato di poter usare l'acqua come fonte di idrogeno, elettrolizzando prima l'acqua e poi facendo scorrere quell'idrogeno nel loro reattore elettrochimico.

L'intero sistema è abbastanza piccolo da poter essere posizionato su un banco da laboratorio, ma potrebbe essere ampliato per produrre maggiori quantità di ammoniaca collegando molti moduli insieme, dice Lazouski. Un'altra sfida chiave sarà quella di migliorare l'efficienza energetica della reazione, che ora è solo circa il 2%, rispetto al 50-80% per la reazione di Haber-Bosch.

"Abbiamo una reazione complessiva che finalmente sembra favorevole, che è un grande passo avanti, " dice. "Ma sappiamo che c'è ancora un problema di perdita di energia che deve essere risolto. Questa sarà una delle cose principali che vogliamo affrontare nel lavoro futuro che intraprenderemo".

Oltre a servire come metodo di produzione per piccoli lotti di fertilizzante, questo approccio potrebbe anche prestarsi allo stoccaggio di energia, Manthiram dice. Questa idea, che è ora perseguito da alcuni scienziati, chiede l'utilizzo dell'elettricità prodotta dall'energia eolica o solare per alimentare la produzione di ammoniaca. L'ammoniaca potrebbe quindi servire come combustibile liquido relativamente facile da immagazzinare e trasportare.

"L'ammoniaca è una molecola così critica che può indossare molti cappelli diversi, e questo stesso metodo di produzione dell'ammoniaca potrebbe essere utilizzato in applicazioni molto diverse, "dice Manthiram.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.