(a) Illustrazione schematica della sintesi di Ti2NTx MXene tramite trattamento con fluoruro di sale fuso assistito da ossigeno della fase madre MAX Ti2AlN a 550 °C per 5 h sotto flusso di argon, quindi esposizione all'aria, seguita da rimozione del sale di fluoruro in 4 M H2SO4 , infine la delaminazione avviene tramite sonicazione in acqua per 4 h. I modelli non si basano sui dati raccolti, ma solo come linea guida generale. Nelle fotografie di laboratorio di (b) fase MAX, (c) Ti2N MXene multistrato dopo lavaggio acido e (d) MXene a strato singolo acquisito dopo delaminazione in acqua. (e) Imaging SEM della fase Ti2AlN MAX (contorno nero), fase MAX trattata con sale fuso (contorno blu), Ti2N MXene multistrato (contorno viola) e pochi strati Ti2N MXene (contorno rosso). La dimensione laterale dei singoli fiocchi di MXene è di circa 5 μm. (f) XRD, (g) Raman e (h) spettri UV-Vis della fase Ti2AlN MAX (nero) e Ti2N MXene a strato singolo (rosso). XRD è stato raccolto utilizzando una piastra di silicio a diffrazione zero con un pozzetto. La spettroscopia Raman è stata raccolta utilizzando un laser a 532 nm al 5% di potenza con un tempo di esposizione di 1 s. La spettroscopia UV-Vis è stata raccolta utilizzando l'acqua come matrice. Credito:Rapporti scientifici (2022). DOI:10.1038/s41598-021-04640-7
L'ammoniaca è comunemente usata nei fertilizzanti perché ha il più alto contenuto di azoto dei fertilizzanti commerciali, il che la rende essenziale per la produzione delle colture. Tuttavia, vengono prodotte due molecole di anidride carbonica per ogni molecola di ammoniaca prodotta, contribuendo all'eccesso di anidride carbonica nell'atmosfera.
Un team del Dipartimento di Ingegneria Chimica Artie McFerrin presso la Texas A&M University composto dal Dr. Abdoulaye Djire, assistente professore e dallo studente laureato Denis Johnson, ha promosso un metodo per produrre ammoniaca attraverso processi elettrochimici, contribuendo a ridurre le emissioni di carbonio. Questa ricerca mira a sostituire il processo termochimico Haber-Bosch con un processo elettrochimico più sostenibile e più sicuro per l'ambiente.
I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati in Rapporti scientifici .
Dall'inizio del 1900, il processo Haber-Bosch è stato utilizzato per produrre ammoniaca. Questo processo funziona facendo reagire l'azoto atmosferico con l'idrogeno gassoso. Uno svantaggio del processo Haber-Bosch è che richiede alta pressione e alta temperatura, lasciando una grande impronta energetica. Il metodo richiede anche materia prima di idrogeno, che è derivata da risorse non rinnovabili. Non è sostenibile e ha implicazioni negative sull'ambiente, accelerando la necessità di processi nuovi e rispettosi dell'ambiente.
I ricercatori hanno proposto di utilizzare la reazione elettrochimica di riduzione dell'azoto (NRR) per produrre ammoniaca dall'azoto atmosferico e dall'acqua. I vantaggi dell'utilizzo di un metodo elettrochimico includono l'utilizzo dell'acqua per fornire protoni e la capacità di produrre ammoniaca a temperatura e pressione ambiente. Questo processo richiederebbe potenzialmente minori quantità di energia e sarebbe meno costoso e più rispettoso dell'ambiente rispetto al processo Haber-Bosch.
L'NRR funziona utilizzando un elettrocatalizzatore. Affinché questo processo abbia successo, l'azoto deve legarsi alla superficie e rompersi per produrre ammoniaca. In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato MXene, un nitruro di titanio, come elettrocatalizzatore. Ciò che differenzia questo catalizzatore dagli altri è che l'azoto è già nella sua struttura, consentendo una formulazione più efficiente dell'ammoniaca.
"È più facile che si formi l'ammoniaca perché i protoni possono attaccarsi all'azoto nella struttura, formare l'ammoniaca e quindi l'ammoniaca lascerà fuori dalla struttura", ha detto Johnson. "Viene praticato un foro nella struttura che può attirare l'azoto gassoso e separare il triplo legame."
I ricercatori hanno scoperto che l'uso del nitruro di titanio induce un meccanismo Mars-van Krevelen, un meccanismo popolare per l'ossidazione degli idrocarburi. Questo meccanismo segue un percorso energetico inferiore che consentirebbe tassi di produzione e selettività di ammoniaca più elevati a causa dell'azoto dal catalizzatore di nitruro di titanio.
Senza modifiche ai materiali, i ricercatori hanno raggiunto una selettività del 20%, che è il rapporto tra il prodotto desiderato formato e il prodotto indesiderato formato. Il loro metodo potrebbe potenzialmente raggiungere una percentuale di selettività più elevata con modifiche, aprendo un nuovo percorso alla produzione di ammoniaca attraverso processi elettrochimici.
"Il Dipartimento dell'Energia ha fissato l'obiettivo di una selettività del 60%, un numero difficile da raggiungere", ha affermato Johnson. "Siamo stati in grado di raggiungere il 20% utilizzando il nostro materiale, mostrando un metodo che potremmo essere in grado di sfruttare per andare avanti. Se aggiorniamo il nostro materiale, possiamo raggiungere presto il 60%? Questa è la domanda su cui continueremo a lavorare rispondi."
Questa ricerca potrebbe potenzialmente ridurre l'impronta di carbonio e il consumo globale di energia su scala più ampia.
"In futuro, questa potrebbe essere un'importante riforma scientifica", ha affermato Djire. "Circa il 2% dell'energia totale del mondo viene utilizzata per la produzione di ammoniaca. Ridurre questo numero enorme ridurrebbe drasticamente la nostra impronta di carbonio e il consumo di energia".
Altri contributori alla pubblicazione sono Eric Kelley del dipartimento di ingegneria chimica della Texas A&M, Brock Hunter della Auburn University e Jevaun Christie e Cullan King della Prairie View A&M University. + Esplora ulteriormente
