Ispirato dalla natura, il team di ricerca ha sviluppato un fotocatalizzatore per struttura metallo-organica a base di porfirina e ferro metallizzato. Credito:City University di Hong Kong
Ammoniaca (NH3 ) è un componente importante dei fertilizzanti e un promettente vettore energetico privo di emissioni di carbonio. Tuttavia, la produzione di ammoniaca consuma circa il 2% della produzione mondiale di energia e rilascia 500 Mt di anidride carbonica all'anno. Un gruppo di ricerca guidato da scienziati della City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato un nuovo tipo di fotocatalizzatore in grado di produrre ammoniaca dall'azoto atmosferico a temperatura ambiente utilizzando la luce solare. Questo nuovo metodo ha superato il modo convenzionale che provoca enormi emissioni di carbonio. Il team di ricerca riteneva che tale tecnologia di produzione sostenibile di ammoniaca avrebbe favorito lo sviluppo della futura economia dell'azoto.
Questa ricerca è stata guidata dal professor Leung Kwok Hi Michael, Shun Hing Education and Charity Fund Professor of Energy and Environment e Assistant Professor Dr. Shang Jin, entrambi della School of Energy and Environment (SEE) di CityU, nonché uno studioso australiano. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica ACS Nano sotto il titolo "Sito di ferro metallico disperso atomicamente in una struttura metallo-organica a base di porfirina per la fissazione dell'azoto fotocatalitico".
Ammoniaca:un combustibile emergente che potrebbe sostituire petrolio e carbone nella generazione di elettricità
L'ammoniaca è un componente essenziale degli alimenti e dei fertilizzanti. La maggior parte dell'ammoniaca artificiale viene utilizzata per produrre fertilizzanti per l'agricoltura. L'ammoniaca è anche una sostanza chimica importante con un'ampia gamma di usi industriali, dalla produzione di detergenti ai refrigeranti. Ancora più importante, l'ammoniaca ha attirato molta attenzione negli ultimi anni perché fornisce una fonte di idrogeno per le celle a combustibile ed è più facile da liquefare e trasportare dell'idrogeno. Inoltre, l'ammoniaca stessa può fungere da combustibile per la produzione di energia diversa dal petrolio e dal carbone. Quindi c'è una grande richiesta per la produzione di ammoniaca.
Il team sviluppa un fotocatalizzatore per produrre ammoniaca dopo aver ottenuto la fissazione artificiale dell'azoto alimentato dalla luce solare e utilizzando l'acqua come agente riducente, a temperatura e pressione ambiente. Credito:City University di Hong Kong
Metodo di produzione attuale:nocivo per l'ambiente
La "fissazione" dell'azoto è un passaggio importante prima di produrre ammoniaca. Sebbene l'80 percento dell'atmosfera sia costituito da azoto, questo azoto "libero" non può essere utilizzato fino a quando non viene convertito in composti contenenti azoto. Questo processo di conversione è chiamato "fissazione dell'azoto".
La fissazione dell'azoto può essere eseguita naturalmente o artificialmente. La via artificiale di solito si riferisce al processo industriale Haber-Bosch a temperatura e pressione elevate, utilizzando il ferro come catalizzatore per produrre ammoniaca da azoto e idrogeno. Al giorno d'oggi, la produzione di ammoniaca si basa fortemente sul processo Haber-Bosch, ma non è sostenibile perché consuma un'enorme quantità di combustibili fossili e provoca enormi emissioni di anidride carbonica.
Per cercare un modo sostenibile di produrre ammoniaca, il professor Leung e il dottor Jin riuniscono i loro team per sviluppare un approccio per la fissazione dell'azoto in condizioni ambientali utilizzando acqua ed energia rinnovabile. La sfida più grande per il team congiunto è stata la realizzazione di un catalizzatore che consenta la complessa reazione in più fasi della fissazione dell'azoto.
Questa figura mostra come il nuovo fotocatalizzatore innesca la reazione di riduzione dell'azoto e produce ammoniaca. Credito:City University di Hong Kong
Nuovo fotocatalizzatore biomimetico
In natura, il ferro nella nitrogenasi (una specie di enzima) si lega favorevolmente e attiva l'azoto e la porfirina (una specie di composto organico) nella clorofilla raccoglie efficacemente la luce solare. Ispirato dai meccanismi della natura di cui sopra, il team ha sviluppato un fotocatalizzatore metal-organic framework (MOF) a base di porfirina metallizzato.
Questo fotocatalizzatore biomimetico, con uno spessore di soli 15-25 nm, può produrre ammoniaca dopo aver ottenuto la fissazione artificiale dell'azoto alimentato dalla luce solare e utilizzando l'acqua come agente riducente, a temperatura e pressione ambiente.
Il team ha utilizzato i MOF in questo fotocatalizzatore perché ha fornito siti più attivi sulla superficie per l'adsorbimento e l'attivazione dell'azoto. Così l'efficienza della reazione di riduzione dell'azoto è migliorata.
Il team ha condotto esperimenti con questo fotocatalizzatore e ha dimostrato che si poteva produrre ammoniaca. "Abbiamo sviluppato un nuovo fotocatalizzatore in grado di ottenere le migliori prestazioni di fissazione dell'azoto fotocatalitico nella categoria dei fotocatalizzatori a base di MOF. Mostra una delle più alte rese di ammoniaca e la migliore stabilità idrolitica nei MOF", ha affermato il professor Leung. Una buona stabilità idrolitica significa che il fotocatalizzatore deve essere utilizzato ripetutamente.
Attraverso questa ricerca, il team ha esplorato la reazione fotocatalitica di riduzione dell'azoto sul loro fotocatalizzatore biomimetico. Il Dr. Shang ha sottolineato che le nuove conoscenze acquisite da questo lavoro guiderebbero la progettazione razionale di fotocatalizzatori basati su MOF di prossima generazione. Credeva che le loro scoperte avrebbero liberato il potenziale per sviluppare vari MOF a base di porfirina come fotocatalizzatori per varie applicazioni energetiche e ambientali.
Il team sperava che questo studio pionieristico avrebbe ispirato scienziati e ingegneri nel campo della catalisi a esplorare e sviluppare fotocatalizzatori biomimetici basati su MOF per catalizzare altre reazioni chimiche a temperatura e pressione ambiente, non limitate alla fissazione artificiale dell'azoto.
"La produzione di energia e sostanze chimiche di base tramite processi privi di combustibili fossili è l'ideale per ottenere la neutralità del carbonio. Questa ricerca ha sviluppato una tecnologia per produrre ammoniaca dall'azoto atmosferico e dall'acqua raccogliendo la luce solare. Abbiamo ottenuto energia senza emissioni di carbonio in modo sostenibile", ha concluso il professor Leung. Il team credeva che le loro scoperte avrebbero aiutato a mitigare la crisi energetica sempre più pressante e i problemi ambientali. + Esplora ulteriormente
