L'utilizzo della radiazione ultravioletta (hν) per produrre elettroni energetici (e-) consente a un catalizzatore di rame-palladio (sfere verdi e blu) di generare idrogeno (H0) senza utilizzare combustibili fossili. Questo materiale può quindi trasformare gli ioni nitrato (NO3-) in ammoniaca (NH3). riprodotto, con permesso, dal Rif. 1 © 2011 Società Chimica Americana
Colture nutrienti con ammoniaca sintetica (NH 3 ) i fertilizzanti hanno spinto sempre più in alto le rese agricole, ma tale produttività ha un prezzo. L'applicazione eccessiva di questa sostanza chimica può accumulare ioni nitrato (NO 3 –) concentrazioni nel suolo - un potenziale veleno delle acque sotterranee e fonte di cibo per le fioriture algali dannose. Per di più, la produzione industriale di ammoniaca è un processo ad alta intensità energetica che contribuisce in modo significativo ai gas serra atmosferici.
Un team di ricerca guidato da Miho Yamauchi e Masaki Takata del RIKEN SPring-8 Center di Harima ha scoperto un modo quasi ideale per disintossicare gli effetti dei fertilizzanti a base di ammoniaca. Sintetizzando nanocatalizzatori bimetallici fotoattivi che generano gas idrogeno dall'acqua utilizzando l'energia solare, il team può convertire cataliticamente NO 3 – ritorno in NH3 attraverso un percorso efficiente privo di emissioni di anidride carbonica.
Sostituzione degli atomi di ossigeno di NO 3 – con l'idrogeno è un difficile trucco chimico, ma i chimici possono ottenere questa impresa utilizzando nanoparticelle di leghe di rame-palladio (CuPd) per immobilizzare i nitrati sulle loro superfici e catalizzare una reazione di riduzione con atomi di idrogeno disciolti. Però, la distribuzione atomica sulla superficie della "nanolega" influenza l'esito di questa procedura:le regioni con grandi domini di atomi di Pd tendono a creare azoto gassoso, mentre le leghe ben miscelate producono preferibilmente ammoniaca.
Secondo Yamauchi, la sfida nella sintesi di leghe CuPd miscelate in modo omogeneo è ottenere il giusto tempismo:i due ioni metallici si trasformano in stati atomici a velocità diverse, provocando la separazione di fase. Yamauchi e il suo team hanno utilizzato i potenti raggi X del sincrotrone del Centro SPring-8 per caratterizzare la struttura atomica del CuPd sintetizzato con reagenti aggressivi o blandi. I loro esperimenti hanno rivelato che un reagente riducente relativamente forte chiamato boroidruro di sodio ha dato leghe con una miscelazione quasi perfetta fino a dimensioni su scala nanometrica.
La maggior parte delle sintesi di ammoniaca utilizza gas idrogeno prodotto da combustibili fossili, ma l'uso dell'energia solare da parte dei ricercatori lo evita. Hanno scoperto che depositando la nanolega sul biossido di titanio fotosensibile (TiO 2 ) ha prodotto un materiale in grado di convertire la radiazione ultravioletta in elettroni energetici; a sua volta, questi elettroni hanno stimolato la generazione di gas idrogeno da una semplice soluzione di acqua/metanolo. Quando hanno aggiunto ioni nitrato a questa miscela, il CuPd/TiO 2 catalizzatore ha convertito quasi l'80% in ammoniaca, una notevole selettività chimica che i ricercatori attribuiscono alle alte concentrazioni di idrogeno reattivo prodotto fotocataliticamente vicino alla superficie del CuPd.
Yamauchi è fiducioso che questo approccio possa aiutare a ridurre l'impatto ecologico di molte classiche reazioni di idrogenazione chimica. “Considerando i problemi ambientali che affrontiamo, dobbiamo passare dalla sintesi chimica che utilizza l'idrogeno fossile ad altri processi puliti, "dice lei.
