L'ammoniaca è una materia prima necessaria per produrre fertilizzanti, prodotti chimici, prodotti farmaceutici e polimeri a base di azoto. Ad oggi, circa l'80% dell'ammoniaca globale viene utilizzata per produrre fertilizzanti a base di azoto, che rappresentano il 50% della produzione alimentare globale.
La produzione globale di ammoniaca è di circa 180 milioni di tonnellate all’anno attraverso il processo Haber-Bosch ad alta intensità di carbonio e ad alto consumo di energia. L'elevato consumo energetico, l'elevata intensità di carbonio e gli elevati investimenti di capitale del processo Haber-Bosch rendono più urgente lo sviluppo di percorsi sostenibili dal punto di vista ambientale e convenienti per la sintesi dell'ammoniaca in condizioni ambientali.
La sintesi elettrochimica dell’ammoniaca, alimentata da energia rinnovabile, offre un approccio promettente a questo puzzle. La reazione di riduzione elettrocatalitica dei nitrati (NtrRR) per la sintesi dell'ammoniaca in condizioni ambientali ha il potenziale per affrontare le questioni ambientali e ottenere simultaneamente sostanze chimiche utili.
Sebbene siano stati compiuti molti sforzi per sviluppare un catalizzatore efficiente per migliorare l’efficienza di Faraday dell’ammoniaca e la densità di corrente nell’NtrRR, esso deve ancora affrontare alcune sfide scientifiche e pratiche. Questa prospettiva mira a discutere tali sfide e proporre soluzioni corrispondenti.
In una prospettiva recente del Dipartimento di Fisica dell’Università Tecnica della Danimarca, il dottor Xianbiao Fu esplora gli sviluppi promettenti e le sfide nella riduzione elettrochimica dei nitrati per la sintesi dell’ammoniaca. Questa prospettiva è stata pubblicata sul Chinese Journal of Catalysis .
Il dottor Fu sottolinea l’importanza dell’approvvigionamento sostenibile di nitrati, proponendo tre possibili percorsi:utilizzo delle acque reflue industriali, impiego di processi al plasma ed esplorazione dell’ossidazione elettrochimica dell’azoto. La produzione di nitrati sostenibile e conveniente è identificata come una sfida chiave per la fattibilità della riduzione elettrochimica dei nitrati.
Lo studio sottolinea l’importanza di comprendere l’equilibrio delle specie nelle reazioni di riduzione dei nitrati, in particolare per quanto riguarda i cambiamenti del pH dell’elettrolita nel tempo. Questo fattore, spesso trascurato, potrebbe influire sulla stabilità e sulle prestazioni a lungo termine del sistema elettrochimico.
Una sfida notevole evidenziata è la limitazione del trasferimento di massa del nitrato, che richiede soluzioni innovative per migliorare il trasporto del nitrato a densità di corrente elevate. Questa prospettiva discute potenziali strategie, come i reattori microfluidici, l'agitazione e l'uso di elettroliti di nitrati ad alta concentrazione.
La stabilità dei catalizzatori per la riduzione dei nitrati è identificata come un aspetto cruciale, soprattutto per le applicazioni industriali. Sebbene alcuni metalli di transizione come il rame e il cobalto abbiano mostrato elevata attività e selettività, la loro stabilità in caso di uso prolungato rimane motivo di preoccupazione. Vengono proposte strategie come la lega, l'incapsulamento e l'immobilizzazione per migliorare la stabilità del catalizzatore.
In conclusione, questa prospettiva fornisce una panoramica completa delle opportunità e delle sfide nella riduzione elettrochimica dei nitrati per la sintesi dell'ammoniaca.
Le intuizioni di Fu aprono la strada a direzioni di ricerca future, sottolineando la necessità di percorsi di approvvigionamento di nitrati sostenibili, comprendendo l'equilibrio delle specie, superando i limiti del trasferimento di massa e garantendo la stabilità del catalizzatore per far avanzare il campo verso una sintesi di ammoniaca rispettosa dell'ambiente ed economicamente sostenibile.
Ulteriori informazioni: Xianbiao Fu, Alcune riflessioni sulla reazione elettrochimica di riduzione dei nitrati, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64521-8
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
