L'attività umana ha provocato uno squilibrio del ciclo dell'azoto, con conseguente abbondanza di prodotti nocivi dell'azoto che circolano attraverso gli ecosistemi atmosferici, marini e terrestri. L'elettrocatalisi può offrire la soluzione e bilanciare il ciclo dell'azoto, se i ricercatori possono rispondere a domande di ricerca critiche. Credito:Nano Research Energy , Tsinghua University Press
Più di 112 anni fa, Fritz Haber e Carl Bosch hanno industrializzato un processo in grado di produrre ammoniaca dall'azoto prontamente disponibile nell'aria, creando fertilizzanti chimici commercialmente validi in grado di migliorare la produzione delle colture. Considerata una delle più importanti scoperte scientifiche del 20° secolo, il processo Haber-Bosch è ancora utilizzato per coltivare colture in tutto il mondo. Ha salvato milioni di persone dalla carestia, ma, insieme ad altre attività umane, sta interrompendo il ciclo dell'azoto del pianeta, riscaldando il globo e potenzialmente mettendo a rischio la salute di milioni di persone.
Ecco perché ora è il momento di rivedere il lavoro scientifico in corso per riequilibrare il ciclo dell'azoto, secondo Xuping Sun, professore presso l'Institute of Fundamental and Frontier Sciences, University of Electronic Science and Technology of China. Sun e il suo team hanno valutato gli ultimi anni di ricerca sul campo e sintetizzato i percorsi più promettenti in un articolo pubblicato il 2 giugno su Nano Research Energy .
"La maggior parte dell'atmosfera terrestre, il 78%, è costituita da azoto atmosferico, il che lo rende la più grande fonte di azoto", ha affermato Sun. "Tuttavia, l'azoto atmosferico ha una disponibilità limitata per l'uso biologico, portando a una scarsità di azoto utilizzabile in molti tipi di ecosistemi, quindi subisce vari tipi di trasformazioni per mantenere un equilibrio. L'umanità ha ribaltato il ciclo dell'azoto della Terra fuori equilibrio."
L'azoto attraversa diverse forme chimiche mentre si muove tra gli ecosistemi nell'atmosfera, nell'acqua e nella terra. Prima dell'avvento del processo Haber-Bosch, ad esempio, le piante si procuravano l'ammonio dai microrganismi in decomposizione presenti nel compost e nel letame che assorbono l'azoto e lo convertono. Le piante assorbono l'ammonio, dai microrganismi o dal fertilizzante, nelle loro radici, ma non possono utilizzare l'abbondanza fornita dal fertilizzante.
"Quando le radici delle piante non rimuovono il fertilizzante, parte di esso scorre fuori dal campo e inquina i corsi d'acqua", ha detto Sun. "Il resto viene consumato da una serie di microrganismi del suolo che convertono l'ammoniaca in nitrito, poi nitrato e, infine, in azoto gassoso. Questo può combinarsi con l'ossigeno in protossido di azoto, comunemente noto come gas esilarante, che è circa 300 volte più efficace a riscaldando l'atmosfera rispetto all'anidride carbonica."
La risposta, ha detto Sun, potrebbe essere l'elettrocatalisi. Questo processo utilizza un catalizzatore per accelerare una reazione chimica su un elettrodo ed è comunemente usato in prodotti come celle a combustibile o batterie.
"L'elettrocatalisi è un metodo semplice ma potente che opera in condizioni ambientali, in cui i materiali catalitici determinano l'efficienza della conversione", ha affermato Sun. "La catalisi del ciclo dell'azoto contiene diverse reazioni di conversione e corrispondenti potenziali elettrocatalizzatori, quindi un catalizzatore veramente efficace e stabile sarà la nostra migliore occasione per bilanciare il ciclo dell'azoto, soprattutto se è abbastanza flessibile, sostenibile e compatibile da convertire in valore l'energia rinnovabile intermittente -aggiunte sostanze chimiche con emissioni minime di carbonio."
I ricercatori esaminano in modo specifico come i recenti progressi nei nanomateriali eterogenei, o materiali atomici sintonizzabili le cui dimensioni e disposizione specifiche possono cambiare la reazione, possono contribuire a potenziali soluzioni.
"Sebbene sia stata sviluppata una pletora di catalizzatori, che mostrano una buona efficienza e con spiegazioni meccanicistiche, sono ancora assolutamente necessarie importanti scoperte", ha affermato Sun. "Ci auguriamo che questo documento attiri l'attenzione di più ricercatori sui problemi in questo campo che devono essere risolti, inclusi metodi quantitativi accurati o nuovi indicatori per determinare l'attività del catalizzatore; e sistemi catalitici veramente efficienti, stabili ed economici, che richiedono il catalizzatore , elettrolita, reattore e altro."
Sun ha affermato che i ricercatori intendono continuare a studiare vari approcci per lo sviluppo di elettrocatalizzatori che potrebbero accelerare il bilanciamento del ciclo dell'azoto. + Esplora ulteriormente
