Gli scienziati dell'Università di Stanford e dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia stanno trasformando l'aria in fertilizzante senza lasciare alcuna impronta di carbonio. La loro scoperta potrebbe fornire la soluzione tanto necessaria per contribuire a raggiungere gli obiettivi mondiali di zero emissioni di carbonio entro il 2050.

Pubblicato sulla rivista Energy &Environmental Science , lo studio descrive un processo elettrochimico sostenibile, anziché chimico, per la produzione di ammoniaca, un ingrediente chiave per i fertilizzanti azotati.

In sostanza, i ricercatori hanno utilizzato la diffusione dei neutroni per capire come il ciclo di una corrente elettrica durante la conversione dell’azoto in ammoniaca, nota anche come reazione di riduzione dell’azoto, aumenti la quantità di ammoniaca prodotta. Questo processo ha il potenziale per consentire agli agricoltori di convertire l'azoto, l'elemento più abbondante nella nostra atmosfera, in fertilizzanti a base di ammoniaca senza emettere anidride carbonica.

"L'ammoniaca è fondamentale per l'approvvigionamento alimentare della maggior parte della popolazione mondiale", ha affermato Sarah Blair, ex dottoranda presso il Center for Interface Science and Catalysis di Stanford che ora lavora presso il National Renewable Energy Laboratory in Colorado come ricercatrice post-dottorato. "Mentre la popolazione mondiale continua a crescere, abbiamo bisogno di modi sostenibili per produrre fertilizzanti, soprattutto con l'intensificarsi del riscaldamento."

I fertilizzanti industriali consentono agli agricoltori di coltivare più cibo su meno terra. Eppure il metodo principale per creare ammoniaca industriale da più di un secolo, il processo Haber-Bosch, rappresenta quasi il 2% di tutte le emissioni di anidride carbonica a causa dei combustibili fossili che richiede.

Il 2% potrebbe non sembrare molto, ma stiamo aggiungendo anidride carbonica nell’atmosfera più velocemente di quanto il pianeta possa assorbirla, facendo sì che ogni sforzo sia importante per ridurre quella percentuale. Il processo Haber-Bosch produce circa 500 milioni di tonnellate di anidride carbonica ogni anno, il che richiederebbe l'assorbimento e lo stoccaggio dell'equivalente di quasi tutti i terreni federali degli Stati Uniti.

Gli approfondimenti dello studio potrebbero anche aiutare gli scienziati a comprendere altri processi per produrre ammoniaca a zero emissioni di carbonio per altre applicazioni. Questi potrebbero includere il riciclaggio o la riconquista dei residui di fertilizzanti prima che entrino nei corsi d’acqua e la produzione di ammoniaca nei porti marittimi per il rifornimento delle navi. Il trasporto marittimo globale produce un altro 3% delle emissioni mondiali di anidride carbonica e la combustione di combustibili fossili rappresenta la principale fonte di anidride carbonica derivante dalle attività umane.

"Non puoi migliorare la progettazione di qualcosa se non sai come funziona già", ha detto Blair. "I neutroni aiutano la scienza ad evolversi facendo luce a livello atomico su alcuni sistemi che sono impossibili da studiare altrimenti."

Blair e Mat Doucet, uno scienziato senior dello scattering di neutroni presso l'ORNL, hanno condotto i loro esperimenti sui neutroni sullo strumento Liquids Reflectometer presso la Spallation Neutron Source. Il loro scopo era comprendere l'effetto del ciclo di una corrente elettrica sulla formazione dell'interfaccia solido-elettrolita, o SEI, in un sistema di reazione di riduzione dell'azoto che produce ammoniaca utilizzando il litio come mediatore.

Comprendere la formazione del SEI è la chiave non solo per svelare la scienza dietro la produzione elettrochimica dell’ammoniaca, ma anche per produrre batterie migliori. Lo studio segna anche il primo utilizzo di tecniche basate sui neutroni per osservare la formazione di uno strato SEI durante questa particolare conversione elettrochimica.

Inoltre, dallo studio è emersa una nuova e singolare tecnica neutronica, la riflettometria risolta nel tempo. Questa tecnica consente agli scienziati di suddividere i dati sui neutroni in incrementi di pochi secondi, catturando maggiori dettagli, proprio come guardare un film fotogramma per fotogramma. Inizialmente, Blair e Doucet pensavano che i cambiamenti elettrochimici osservati avvenissero gradualmente. Tuttavia, grazie alla nuova tecnica, hanno scoperto che i cambiamenti avvenivano in incrementi di tempo molto più piccoli.

"I processi che sembrano lineari potrebbero non esserlo affatto quando li si guarda più da vicino", ha detto Doucet. "Raggiungere quella struttura in funzione del tempo è la parte difficile. La tecnica che abbiamo sviluppato per questo esperimento ci ha permesso di fare proprio questo."

Le scoperte della SNS gettano le basi della conoscenza per le innovazioni tecnologiche che migliorano la vita quotidiana delle persone. La tecnica sviluppata da Blair e Doucet apre nuove possibilità nell'elettrochimica per gli utenti di SNS.

Hanyu Wang, scienziato dell'ORNL che lavora anche a stretto contatto con gli utenti di SNS, ha affermato:"Questi esperimenti dipendenti dal tempo attireranno gli scienziati che studiano la chimica della separazione".

Il leader del gruppo Riflettometria neutronica dell'ORNL, Jim Browning, ha aggiunto:"Il loro approccio può rispondere a molte domande relative ai prodotti chimici di separazione, alle batterie e a un'intera gamma di diverse aree di interesse, come la produzione di energia, lo stoccaggio di energia e la conservazione dell'energia."

Ulteriori informazioni: Sarah J. Blair et al, Riflettometria neutronica in situ, combinata e risolta nel tempo, e analisi di diffrazione dei raggi X della formazione dinamica di SEI durante l'elettrochimica N₂ riduzione, Scienze energetiche e ambientali (2023). DOI:10.1039/D2EE03694K

Informazioni sul giornale: Scienze energetiche e ambientali

Fornito da Oak Ridge National Laboratory