El amoníaco es uno de los productos químicos más importantes producidos en el mundo y ocupa el segundo lugar después del ácido sulfúrico en el volumen total producido cada año. Se utiliza principalmente para producir fertilizantes, esenciales para alimentar a la población mundial. Sin embargo, su producción representa hasta el 2 por ciento del consumo mundial de energía y alrededor del 1,5 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero, por lo que se ha estado buscando formas de producir amoníaco de manera más sostenible.
La forma tradicional de producir amoníaco, que se utiliza desde hace más de un siglo y representa la gran mayoría de la producción, es el proceso Haber-Bosch, que depende de combustibles fósiles para proporcionar el calor necesario. El hidrógeno utilizado en el proceso también se produce en gran medida a partir de combustibles fósiles.
Hay otra manera, usar electroquímica en lugar de calor y presión, pero hasta ahora este método no ha sido ni de lejos económicamente competitivo en las escalas necesarias.
Ahora, investigadores del MIT han desarrollado una forma de predecir qué materiales podrían ser más prometedores como catalizadores en la producción electroquímica de amoníaco. Los catalizadores ayudan a impulsar reacciones químicas y sus propiedades determinan la eficiencia con la que se desarrollan esas reacciones. En lugar de utilizar prueba y error para probar cada combinación posible entre millones de aleaciones posibles (lo que puede llevar años), el nuevo enfoque podría acelerar enormemente la búsqueda de materiales que puedan hacer que este método de bajas emisiones sea competitivo con el proceso Haber-Bosch.
“Nuestro enfoque identifica las propiedades físicas clave que impulsan la actividad catalítica en la producción de amoníaco”, dice Bilge Yildiz, profesora Breen M. Kerr en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). Los resultados pueden guiar la búsqueda de compuestos catalizadores nuevos y más eficaces.
Los hallazgos de acceso abierto se publicaron el 11 de agosto en la revista EES Catalysis de la Royal Society of Chemistry, en un artículo de Yildiz y los estudiantes de doctorado Constantine Athanitis del DMSE y Filip Grajkowski del Departamento de Química.
El desafío de un amoníaco más ecológico
A medida que la población mundial crece, dice Athanitis, “vamos a necesitar cada vez más alimentos, y la única razón por la que podemos sustentar a tanta gente es gracias a los fertilizantes”. Pero más del 90 por ciento del amoníaco necesario para los fertilizantes todavía se produce mediante ese proceso de Haber-Bosch, que consume mucha energía y que “ha sido hiperoptimizado desde que apareció por primera vez hace más de un siglo”, dice.
“Si queremos mantenernos en línea con los objetivos de sostenibilidad, energía y cambio climático de la sociedad, realmente necesitamos encontrar otra alternativa”, explica. Actualmente, el mundo utiliza alrededor de 200 millones de toneladas métricas de amoníaco cada año, “por lo que idealmente queremos poder encontrar una manera de producir la misma cantidad de amoníaco, o incluso más, pero de una manera más eficiente desde el punto de vista energético y también con menores emisiones de CO2”, afirma.
Usar electricidad para producir amoníaco no es una idea nueva. “En realidad, se trata simplemente de la reacción electroquímica entre pares protón-electrón y gas nitrógeno. Y estas tecnologías existen”, afirma. El enfoque utiliza los mismos principios básicos que los electrolizadores, que utilizan electricidad para impulsar reacciones químicas en los dispositivos.
Pero si bien el proceso funciona, no es lo suficientemente eficiente para la producción a escala industrial. “Las tasas de producción y los rendimientos siguen siendo demasiado bajos”, afirma Athanitis. “Aunque una tecnología pueda ser mejor para el mundo o para el clima, las empresas y el capitalismo realmente no la permitirán a menos que sea competitiva en costos”.
¿Cómo hacerlo más competitivo? El ingrediente clave en el proceso electroquímico es un catalizador metálico, cuyas propiedades gobiernan la reacción que tiene lugar en su superficie. “Si de alguna manera podemos encontrar un catalizador que reduzca la energía necesaria y sea más selectivo para la producción de amoníaco”, dice Athanitis, “entonces esencialmente podríamos ganar el premio gordo”. Un catalizador más selectivo produciría más amoníaco y al mismo tiempo reduciría reacciones secundarias no deseadas.
Encontrar mejores catalizadores
Pero encontrar el catalizador ideal no es simplemente una cuestión de identificar un material perfecto. Diferentes materiales pueden mejorar diferentes partes de la reacción, y los investigadores están buscando combinaciones que puedan hacer que la producción de amoníaco sea eficiente, asequible y práctica a gran escala.
“Los compuestos de nitruro metálico constituyen un sistema material ideal para esta reacción y para identificar las propiedades electrónicas, químicas y estructurales que determinan la reactividad en la reducción de nitrógeno y la electrosíntesis de amoníaco”, dice Yildiz.
Los metales de transición podrían formar aleaciones de nitruro prometedoras para este propósito y, históricamente, “la investigación de materiales ha sido más bien prueba y error”, dice Athanitis.
El proceso habitual es tomar algún material existente y “modificarlo de alguna manera”, afirma. “Todo está guiado en cierto modo por la intuición científica y química”.
Ahora, cada vez más, se utilizan herramientas computacionales para modelar las interacciones físicas y predecir resultados. Un método llamado teoría funcional de la densidad utiliza la mecánica cuántica para simular las propiedades y el comportamiento de los materiales, lo que permite a los investigadores predecir cómo pueden funcionar diferentes disposiciones atómicas antes de fabricarlas en el laboratorio. En lugar de buscar aleatoriamente en todas las combinaciones posibles de aleaciones, dice Yildiz, “primero evaluamos qué propiedades microscópicas del material los hacen funcionar para la reducción de nitrógeno”.
Para los catalizadores que producen amoníaco, “estamos analizando nitruros de metales de transición”, dice Athanitis, porque se ha descubierto que son eficaces en estas reacciones electroquímicas del nitrógeno. Son especialmente eficaces porque “el nitrógeno inherente al propio catalizador pasa a formar parte de la reacción”.
Esto produce una serie de pasos químicos en los que un paso proporciona parte de la energía necesaria para impulsar el siguiente, reduciendo la cantidad de energía de entrada necesaria. Esto ayuda a resolver uno de los principales obstáculos en la reacción de reducción del nitrógeno: la alta energía necesaria para romper los fuertes enlaces de las moléculas de nitrógeno, afirma.
Pero el proceso dista mucho de ser perfecto, afirma Athanitis. “Todavía está limitado por ciertos pasos a lo largo de la vía de reacción, incluida la disociación del nitrógeno y la transferencia de hidrógeno”. El estudio intentó identificar esos obstáculos y, con la ayuda del aprendizaje automático, determinar qué aleaciones de estos metales podrían superarlos.
Con esa comprensión, “puede brindarnos información y abrir estrategias potenciales sobre cómo podemos ajustar estos materiales para crear mejores catalizadores de nitruro de próxima generación”, dice Athanitis.
Dejando atrás la teoría
El enfoque es un “trabajo apasionante” que podría ayudar a desarrollar una base para diseñar nuevos catalizadores para la producción de amoníaco, afirma Dane Morgan, profesor de ingeniería de la Universidad de Wisconsin que no participó en este estudio.
“Este trabajo ayuda a aclarar cómo las propiedades electrónicas fundamentales de un material se relacionan con su papel como catalizador en la producción de amoníaco”, dice Morgan. “Esta comprensión puede ayudar a guiar a los investigadores en el diseño de nuevos catalizadores, tanto a través de una mejor comprensión cualitativa como de la aceleración del análisis computacional”.
Hasta ahora, el estudio es puramente teórico: los investigadores han utilizado modelos informáticos para identificar aleaciones prometedoras, pero esos materiales aún deben fabricarse y probarse. Morgan señala que “traducir estos cálculos en catalizadores prácticos requerirá muchos pasos adicionales, por lo que es probable que aún esté lejos un impacto significativo en el mundo real”.
El siguiente paso será construir una celda de reacción funcional, un dispositivo de laboratorio que utiliza el catalizador para producir amoníaco y probar su rendimiento en condiciones operativas reales. “Para que esto realmente tenga un impacto en la sociedad, debemos llevarlo al laboratorio experimental”, dice Athanitis.
“Siempre ha habido avances en las fronteras de lo que es posible”, añade. “Nos gusta pensar que hemos superado los límites de los materiales candidatos aquí más allá de lo que se pensaba antes y, con suerte, ya casi llegamos allí. Pero incluso si no estamos casi allí, todavía estamos avanzando en la dirección correcta”.