Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois di Chicago hanno creato una reazione elettrochimica a energia solare che non solo utilizza le acque reflue per produrre l'ammoniaca, la seconda sostanza chimica più prodotta al mondo, ma raggiunge anche un'efficienza solare-combustibile che è 10 volte migliore di qualsiasi altra tecnologia comparabile.

I loro risultati sono pubblicati in Scienze energetiche e ambientali , una rivista di punta per la ricerca all'intersezione tra fornitura di energia e protezione ambientale.

"Questa tecnologia e il nostro metodo hanno un grande potenziale per consentire la sintesi su richiesta di fertilizzanti e potrebbero avere un impatto immenso sui settori agricolo ed energetico nei paesi sviluppati e in via di sviluppo, e sugli sforzi per ridurre i gas serra dai combustibili fossili, " ha detto il ricercatore capo Meenesh Singh, assistente professore di ingegneria chimica presso l'UIC College of Engineering.

Ammoniaca, una combinazione di un atomo di azoto e tre atomi di idrogeno, è un composto chiave di fertilizzanti e molti prodotti fabbricati, come plastica e prodotti farmaceutici. Gli attuali metodi per produrre ammoniaca dall'azoto richiedono enormi quantità di calore, generato dalla combustione di combustibili fossili, per rompere i forti legami tra gli atomi di azoto in modo che possano legarsi all'idrogeno. Questo processo secolare produce una frazione sostanziale delle emissioni globali di gas serra, che sono una forza trainante del cambiamento climatico.

In precedenza, Singh e i suoi colleghi hanno sviluppato un metodo ecologico per produrre ammoniaca filtrando il gas di azoto puro attraverso un gas caricato elettricamente, rete metallica ricoperta di catalizzatore in soluzione acquosa. Questa reazione ha utilizzato solo una piccola quantità di energia da combustibili fossili per elettrificare lo schermo, che rompe gli atomi di azoto, ma produceva più idrogeno (80%) che ammoniaca (20%).

Ora, i ricercatori hanno migliorato questo concetto e sviluppato un nuovo metodo che utilizza il nitrato, uno dei più comuni contaminanti delle acque sotterranee, fornire azoto e luce solare per elettrizzare la reazione. Il sistema produce quasi il 100% di ammoniaca con reazioni collaterali dell'idrogeno quasi nulle. La reazione non necessita di combustibili fossili e non produce anidride carbonica o altri gas serra, e il suo uso dell'energia solare produce un'efficienza solare-combustibile senza precedenti, o STF, dell'11%, che è 10 volte migliore di qualsiasi altro sistema all'avanguardia per produrre ammoniaca (circa 1% STF).

Il nuovo metodo si basa su un catalizzatore di cobalto, che i ricercatori descrivono insieme al nuovo processo nel loro articolo, "Sintesi elettrochimica solare dell'ammoniaca che utilizza nitrati con un'efficienza dell'11% da solare a combustibile in condizioni ambientali".

Per identificare il catalizzatore, i ricercatori hanno prima applicato la teoria computazionale per prevedere quale metallo avrebbe funzionato meglio. Dopo aver identificato il cobalto attraverso questi modelli, il team ha sperimentato il metallo, provando diversi modi per ottimizzare la sua attività nella reazione. I ricercatori hanno scoperto che una superficie ruvida di cobalto derivata dall'ossidazione funzionava meglio per creare una reazione selettiva, il che significa che ha convertito quasi tutte le molecole di nitrato in ammoniaca.

"Trovare un attivo, selettivo, e un catalizzatore stabile che ha funzionato in un sistema a energia solare è una prova potente che è possibile una sintesi sostenibile dell'ammoniaca su scala industriale, " ha detto Singh.

Non solo la reazione stessa è a zero emissioni di carbonio, che fa bene all'ambiente, ma se il sistema è sviluppato per uso industriale, può anche avere un quasi netto negativo, effetto riparatore sull'ambiente.

"Utilizzare il nitrato delle acque reflue significa anche rimuovere il contaminante dalle acque superficiali e sotterranee. Nel tempo, ciò significa che il processo può contemporaneamente aiutare a correggere i rifiuti industriali e le acque di scolo e riequilibrare il ciclo dell'azoto, in particolare nelle zone rurali che possono subire svantaggi economici o sopportare il rischio maggiore a causa di un'elevata esposizione a un eccesso di nitrati, " ha detto Singh.

L'elevata esposizione ai nitrati attraverso l'acqua potabile è stata associata a condizioni di salute come il cancro, malattia della tiroide, nascita prematura, e basso peso alla nascita.

"Siamo tutti molto entusiasti di questo traguardo, e non ci fermiamo qui. Siamo fiduciosi di avere presto un prototipo più grande con il quale possiamo testare una scala molto più grande, " disse Singh, che sta già collaborando con enti comunali, centri di trattamento delle acque reflue, e altri del settore sull'ulteriore sviluppo del sistema.

Un brevetto per il nuovo processo è stato depositato dall'UIC Office of Technology Management.

I coautori del documento sono Nishithan Kani e Aditya Parajapati dell'UIC, Joseph Gauthier della Texas Tech University, Jane Edgington e Linsey Seitz della Northwestern University, Isha Bordawekar della Warren Township High School, Windom Shields e Mitchell Shields di Worldwide Liquid Sunshine, e Aayush Singh di Dow Inc.