L'umanità dipende dall'ammonio contenuto nei fertilizzanti sintetici per il cibo. Però, la produzione di ammoniaca dall'azoto è estremamente energivora e richiede l'uso di metalli di transizione.

Ricercatori della Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Baviera, Germania, hanno ora ottenuto la conversione dell'azoto in ammonio a temperatura ambiente ea bassa pressione senza la necessità di metalli di transizione. Lo ha riferito un gruppo di ricerca guidato dallo scienziato della JMU Holger Braunschweig sulla rivista Chimica della natura .

Una nuova cassetta degli attrezzi per legare l'azoto

La produzione industriale di ammoniaca, il cosiddetto processo Haber-Bosch, richiede temperature e pressioni elevate, e si stima che consumi circa il due percento di tutta l'energia prodotta sulla terra. Questo processo si basa anche su elementi di metalli di transizione, atomi relativamente pesanti e reattivi.

Nel 2018, Il team del professor Braunschweig ha riportato il legame e la conversione chimica dell'azoto utilizzando una molecola costituita solo da composti più leggeri, atomi non metallici. Un anno dopo, hanno usato un sistema simile per dimostrare la prima combinazione di due molecole di azoto in laboratorio, una reazione che altrimenti sarebbe stata osservata solo nell'atmosfera superiore della Terra e in condizioni di plasma.

La chiave di entrambe queste scoperte fu l'uso del boro, il quinto elemento più leggero, come l'atomo a cui si lega l'azoto. "Dopo queste due scoperte, era chiaro che avevamo un sistema piuttosto speciale tra le mani, "dice Braunschweig.

Basta aggiungere acqua

Sebbene il loro sistema leghi e converta l'azoto, solo la metà dei pezzi del puzzle era a posto. "Sapevamo che completare la conversione dell'azoto in ammoniaca sarebbe stata una grande sfida, poiché richiede una complessa sequenza di reazioni chimiche spesso incompatibili tra loro, " spiega il professore JMU.

La svolta è arrivata dal più semplice dei reagenti:le tracce di acqua lasciate in un campione sono state sufficienti per promuovere una reazione sequenziale che ha portato il team a un solo passo dall'ammonio bersaglio. In seguito si scoprì che le reazioni chiave potevano essere eseguite utilizzando un acido solido, permettendo che le reazioni avvengano in sequenza in un unico pallone di reazione, tutto a temperatura ambiente.

Fare l'ammonio con la birra

Rendendosi conto che la fase di acidificazione del processo sembrava funzionare anche con reagenti semplici come l'acqua, il team ha ripetuto la reazione utilizzando la birra Würzburger Hofbräu prodotta localmente. Per loro gioia, sono stati in grado di rilevare il prodotto di preammonio nella miscela di reazione.

"Questo esperimento è stato in parte divertente, ma mostra anche quanto il sistema sia tollerante nei confronti dell'acqua e di altri composti, " spiega il dottor Marc-André Légaré, il ricercatore post-dottorato che ha avviato lo studio. "La riduzione dell'azoto ad ammoniaca è una delle reazioni chimiche più importanti per l'umanità. Questa è senza dubbio la prima volta che viene eseguita utilizzando la birra, ed è particolarmente appropriato che sia stato fatto in Germania, "dice il dottor Rian Dewhurst, Akademischer Oberrat e coautore dello studio.

C'è ancora molto lavoro da fare

La reazione, mentre eccitante, è ancora lontano dall'essere un processo veramente pratico per la produzione industriale di ammonio. Idealmente, sarà necessario trovare un modo per riformare le specie attive per rendere il processo efficiente ed economico dal punto di vista energetico.

Tuttavia, la scoperta è un'entusiasmante dimostrazione che gli elementi più leggeri possono affrontare anche le più grandi sfide della chimica. "C'è ancora molto da fare qui, ma il boro e gli altri elementi leggeri ci hanno già sorpreso tante volte. Sono chiaramente capaci di molto di più, "dice Holger Braunschweig.