Lo studio, pubblicato su Chemical Science , descrive un nuovo catalizzatore che funziona stabilmente a temperature relativamente basse, riducendo così la quantità di energia e denaro necessari per sintetizzare l'ammoniaca. Poiché l'ammoniaca è un ottimo modo per immagazzinare l'idrogeno in modo sicuro, nonché un eccellente combustibile alternativo di per sé, questa scoperta renderà più semplice il passaggio dai combustibili fossili a un'economia a zero emissioni di carbonio e basata su energia verde.

I fertilizzanti sono un modo per fornire azoto extra alle piante, il che le aiuta a crescere e aumenta i raccolti. L'azoto nei fertilizzanti proviene dall'ammoniaca, che viene prodotta dalla scomposizione dell'idrogeno (H₂ ) e azoto (N₂ ) molecole e unendo i singoli elementi insieme nel gas di ammoniaca (NH₃ ) attraverso il processo Haber-Bosch. La reazione richiede pressioni e temperature estremamente elevate e un catalizzatore di ferro.

La pressione e la temperatura estremamente elevate – circa 200 atm e 500°C (932°F) – necessarie per la reazione richiedono una grande quantità di energia. Poiché l’ammoniaca è così ampiamente utilizzata nei fertilizzanti e in altre industrie, la produzione mondiale consuma un’enorme quantità di energia. Per contribuire a ridurre l'impronta energetica dell'ammoniaca, i ricercatori del RIKEN CSRS hanno sviluppato una reazione più rispettosa dell'ambiente e del consumo energetico che può procedere stabilmente a temperature molto più basse senza disattivarsi.

L’ostacolo più grande è stato abbattere l’azoto gassoso perché esiste un forte triplo legame tra i due atomi di azoto all’interno di una molecola di azoto gassoso. "Il trucco consisteva nell'utilizzare particelle di metallo molibdeno ultrapiccole preparate da un cluster di alogenuri metallici molecolari esanucleari, che veniva poi attivato con gas idrogeno", afferma Kamiguchi.

Una volta attivati, più atomi di molibdeno lavorano insieme per rompere i forti legami azoto-azoto e favorire rapidamente la sintesi dell'ammoniaca. Una volta testato, questo nuovo metodo è stato in grado di creare ammoniaca da gas di azoto e idrogeno ininterrottamente per più di 500 ore a 200°C (392°F), riducendo notevolmente la temperatura richiesta quando si utilizza il processo Haber-Bosch convenzionale.

Oltre ad avere un impatto sull’industria dei fertilizzanti, il nuovo modo di produrre ammoniaca potrebbe contribuire indirettamente a ridurre le emissioni di carbonio se il combustibile contenente ammoniaca fosse utilizzato in tutto il mondo. Il carburante contenente ammoniaca può essere bruciato direttamente nei motori a combustione interna senza emettere CO₂ , ma non è diventato un'alternativa pratica a causa del processo Haber-Bosch ad alta energia.

Uno dei vantaggi del nuovo metodo è che consentirebbe una produzione di ammoniaca a basso consumo energetico, il che ridurrebbe notevolmente le emissioni di carbonio se il combustibile a base di ammoniaca venisse utilizzato su larga scala.

Nello stesso momento in cui l’ammoniaca immagazzina l’azoto per i fertilizzanti, immagazzina anche l’idrogeno. Ciò lo rende un vettore ideale per l’idrogeno, che alcuni considerano la fonte di energia ideale. Quando è necessario, l'idrogeno immagazzinato può essere rilasciato dall'ammoniaca e utilizzato come combustibile senza emettere anidride carbonica.

"La sostituzione del processo Haber-Bosch con il nostro nuovo metodo dovrebbe comportare un risparmio energetico a livello mondiale", afferma Kamiguchi. "Se il combustibile ad ammoniaca e quello a idrogeno venissero utilizzati in quantità molto maggiori, ridurre notevolmente l'energia necessaria per sintetizzare l'ammoniaca porterà a una riduzione della CO₂ emissioni e contribuire a prevenire un ulteriore riscaldamento globale."

Rimane ancora un problema. L'idrogeno necessario per produrre l'ammoniaca viene ancora prodotto utilizzando combustibili fossili e, nelle grandi quantità necessarie, produrrebbe anche un'enorme quantità di CO₂ emissioni e consumi energetici. Kamiguchi, quindi, osserva:"Quando il nostro sistema catalitico viene combinato con l'H₂ verde produzione da energia rinnovabile, l'emissione di CO₂ che causa il riscaldamento globale potrebbe essere ulteriormente ridotto."

Attualmente, il gruppo di ricerca si sta concentrando sull'aggiunta di promotori al catalizzatore a base di molibdeno che renderà la sintesi dell'ammoniaca più efficiente.