L'urea è un elemento fondamentale che si trova in tutto, dai fertilizzanti ai prodotti per la cura della pelle. Produzione su larga scala di urea, che è naturalmente un prodotto dell'urina umana, è un'impresa imponente, che rappresentano oggi circa il 2% del consumo energetico globale e delle emissioni.

Per decenni, scienziati e ingegneri hanno cercato di rendere questo processo più efficiente dal punto di vista energetico poiché la domanda di fertilizzanti cresce con l'aumento della popolazione. Un team di ricerca internazionale che comprende scienziati e ingegneri dell'Università del Texas ad Austin ha ideato un nuovo metodo per produrre l'urea che è più rispettoso dell'ambiente rispetto al processo odierno e ne produce abbastanza per essere competitivo con i metodi industriali ad alta intensità energetica.

La produzione di urea oggi comporta un processo termico in due fasi che richiede alti livelli di calore e pressione in ambienti ostili controllati. Ma questo nuovo processo richiede solo un passaggio e si basa su un concetto chiamato elettrocatalisi che utilizza l'elettricità, e potenzialmente la luce solare, per innescare reazioni chimiche in una soluzione a temperatura ambiente in condizioni ambientali.

"In tutto il mondo abbiamo bisogno di ridurre le emissioni. Ecco perché vogliamo sviluppare questi percorsi più sostenibili per produrre urea utilizzando l'elettrocatalisi invece di questo processo in due fasi ad alta intensità energetica, " disse Guihua Yu, un professore associato di scienza dei materiali nel Walker Department of Mechanical Engineering della Cockrell School of Engineering che ha co-guidato il team che ha pubblicato un nuovo documento cardine sul processo in Sostenibilità della natura .

Oggi, l'urea sintetica viene prodotta principalmente tramite il metodo Haber-Bosch, noto come una delle più grandi invenzioni del XX secolo perché ha consentito la produzione di massa di fertilizzanti e ha contribuito ad aumentare l'approvvigionamento alimentare globale. Combina azoto e idrogeno per produrre ammoniaca, che poi si lega con l'anidride carbonica per produrre l'urea. Questo processo in due fasi richiede il riscaldamento a 400 o 500 gradi Fahrenheit per eseguire la reazione, utilizzando enormi quantità di energia e producendo emissioni significative lungo il percorso.

La produzione di urea attraverso l'elettrocatalisi è un processo alternativo più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico. Però, questo metodo storicamente non ha prodotto abbastanza per renderlo praticabile. Ha creato troppi sottoprodotti e ha richiesto molta energia per rompere i legami dei mattoni molecolari per innescare la reazione.

Trovare gli elementi o i catalizzatori giusti per creare una reazione chimica efficiente è stata la sfida principale. Il team UT ha utilizzato nitrati, invece del tipico azoto, legarsi con l'anidride carbonica. E la soluzione del catalizzatore è composta da nanomateriali di idrossido di indio.

Questo elettrocatalizzatore nanomateriale altamente efficiente ha "elevata selettività, "Yu ha detto, nel senso che produce solo ciò che i ricercatori vogliono che produca, non un mucchio di sottoprodotti. E crea una resa maggiore di urea rispetto ai precedenti tentativi utilizzando l'elettrocatalisi.

"Ci vuole molta meno energia per rompere i legami del nitrato, rispetto all'azoto, e questo aiuta a produrre una resa molto più elevata di urea, " disse Yu.

Yu vede questa formula applicabile a usi su larga e piccola scala. I dispositivi elettrocatalitici potrebbero essere gestiti da individui e venduti a singole aziende agricole in modo da poter generare la propria urea per il suolo. E la speranza è quella di fornire soluzioni alternative ai processi industriali su larga scala per ridurre il consumo di energia, che possono svolgere un ruolo in un futuro più sostenibile poiché la popolazione e la domanda di urea cresceranno sicuramente.

I prossimi passi in questo processo comportano un ulteriore miglioramento della resa e della selettività, così come un dispositivo prototipo in grado di aumentare la produzione. E il team di ricerca sta cercando di trovare un modo per alimentare il processo utilizzando l'energia solare anziché l'elettricità diretta.