L'ammoniaca è il punto di partenza dei fertilizzanti che hanno assicurato l'approvvigionamento alimentare mondiale nell'ultimo secolo. È anche un componente principale dei prodotti per la pulizia ed è addirittura considerato un futuro sostituto senza emissioni di carbonio dei combustibili fossili nei veicoli.
Ma sintetizzare l’ammoniaca dall’azoto molecolare è un processo industriale ad alta intensità energetica, a causa delle alte temperature e pressioni alle quali procede la reazione standard. Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia hanno ora un nuovo modo per produrre ammoniaca che funziona a temperatura e pressione ambiente.
Dal 1909, lo standard industriale per la sintesi dell'ammoniaca prevede la conversione dell'azoto molecolare (dinitrogeno, N2 ) tramite una reazione con idrogeno gassoso utilizzando catalizzatori a base metallica, nota come processo Haber-Bosch. Polly Arnold, scienziata senior e direttrice della divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab, ha scoperto che invece i catalizzatori realizzati con abbondanti metalli cosiddetti delle terre rare possono facilitare questa reazione a temperatura ambiente.
"Nessuno si aspettava che i metalli delle terre rare provocassero questa reazione. Hanno ampliato il nostro arsenale di potenziali catalizzatori per le condizioni ambientali", afferma Arnold, che è anche professore di chimica alla UC Berkeley.
I metalli delle terre rare sono gli elementi bianco-argentei, morbidi e pesanti che costituiscono tutti i metalli non radioattivi del gruppo nella parte inferiore della tavola periodica e hanno suscitato molto interesse per applicazioni in elettronica, laser e materiali magnetici. .
"Nonostante il loro nome, i metalli delle terre rare non sono in realtà rari", ha affermato Anthony Wong, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Arnold presso l'UC Berkeley e affiliato alla Divisione di scienze chimiche del Berkeley Lab e autore principale dell'articolo in Chem Catalysis che descrive l'opera. "Alcuni sono comuni quasi quanto il rame, e i loro sali sono meno tossici dei metalli già utilizzati nella catalisi", ha aggiunto.
La cosa interessante dei metalli delle terre rare, da un punto di vista fondamentale, è che hanno una serie di elettroni aggiuntivi che le loro controparti dei metalli di transizione non hanno. Ciò conferisce loro interessanti proprietà opto-magnetiche, ma i chimici non comprendono appieno se e come gli elettroni potrebbero essere utilizzati nelle reazioni. L'esame delle reazioni che coinvolgono i metalli delle terre rare è uno strumento interessante per comprendere le loro strutture elettroniche e come le loro strutture possono applicarsi a nuova reattività.
È noto che le terre rare legano l’azoto molecolare sin dagli anni ’90. Tuttavia, fino ad ora, i ricercatori non sono stati in grado di usarli per creare sostanze chimiche funzionalizzate con azoto come l'ammoniaca o le ammine cataliticamente da N2 .
Wong, Arnold e i loro colleghi hanno progettato composti che univano due metalli delle terre rare con semplici legami costituiti da fenolati basati su un semplice antiossidante ampiamente utilizzato negli alimenti. La struttura risultante formava una cavità rettangolare.
L'azoto molecolare che si diffonde nella cavità forma legami con i metalli alle due estremità, attivando il gas. Quindi, gli elettroni introdotti nella cavità da una fonte di potassio hanno attaccato l'azoto attivato, scindendone i legami. In tutte le sue forme standard, l'azoto convertito forma tre legami covalenti con atomi di idrogeno o altri reagenti, risultando in ammoniaca o ammine simmetriche.
"I nostri catalizzatori attivano e trattengono il diazoto, mentre diversi reagenti entrano e reagiscono per formare prodotti diversi", ha affermato Arnold. Intende poi utilizzare degli elettrodi al posto del reagente di potassio come fonte di elettroni, poiché questi possono essere rinnovabili se derivano, ad esempio, da celle solari.
Gli scienziati esploreranno poi come utilizzare le terre rare per sintetizzare ulteriori prodotti contenenti azoto regolando la forma e le dimensioni della cavità a forma di cassetta delle lettere. "Il nostro prossimo passo è esplorare e comprendere quali proprietà dei metalli delle terre rare influiscono sulla chimica", ha affermato Wong.
Il nuovo processo non sostituirà il diffuso processo industriale Haber-Bosch. Dal 2020 la produzione globale di ammoniaca si aggira intorno ai 200 milioni di tonnellate all’anno e gli strumenti esistenti sono ottimizzati ed estremamente efficienti su larga scala. Ma il processo consuma circa il 2% del consumo energetico mondiale e crea disuguaglianze geografiche nella disponibilità di ammoniaca.
"Questa non è giustizia alimentare", ha detto Arnold. Wong ha aggiunto:"Abbiamo bisogno di modi migliori per produrre ammoniaca che richiedano meno energia e possano essere condotti a temperatura e pressione ambiente per contribuire alla sicurezza alimentare ed energetica". La loro tecnologia brevettata potrebbe portare fertilizzanti e prodotti a base di azoto chimicamente specifici nelle regioni prive di gasdotti e a un costo molto inferiore.
Alcune di queste ricerche sono state condotte presso l'Advanced Light Source, una struttura per gli utenti scientifici dell'Ufficio dell'Energia situata presso il Berkeley Lab.
Ulteriori informazioni: Anthony Wong et al, Riduzione catalitica del diazoto in sililammine mediante lantanidi abbondanti nella terra e complessi del gruppo 4, Catalisi chimica (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100964
Informazioni sul giornale: Catalisi chimica
Fornito dal Lawrence Berkeley National Laboratory
