Un equipo de investigación de la Alianza Universitaria del Ruhr, Alemania, ha encontrado un catalizador que se puede utilizar para convertir el amoníaco en el portador de energía hidrógeno y el precursor de fertilizantes nitrito. La producción de hidrógeno y la producción de fertilizantes han sido hasta ahora procesos químicos separados. Con el nuevo enfoque, el equipo de la Universidad Ruhr de Bochum y la Universidad de Duisburg-Essen está demostrando que los dos se pueden combinar a escala de laboratorio. El grupo con sede en Bochum dirigido por Ieva Cechanaviciute y el profesor Wolfgang Schuhmann informa sobre los resultados junto con Bhawana Kumari y la profesora Corina Andronescu de la Universidad de Duisburg-Essen en la revista Angewandte Chemie International Edition del 23 de junio de 2024.
El hidrógeno se puede producir dividiendo el agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) utilizando energía eléctrica. Para que este proceso sea sostenible, la energía debe provenir de fuentes renovables. "Esto solo se puede hacer en un país donde hay mucho espacio para la energía eólica y mucho sol para la energía fotovoltaica, por ejemplo en Namibia", explica Wolfgang Schuhmann. Por lo tanto, para construir una economía basada en el hidrógeno en Alemania, debe importarse de países lejanos. El quid de la cuestión es que se necesita mucha energía para licuar el hidrógeno para su transporte, ya que solo se vuelve líquido a temperaturas extremadamente bajas de menos 253 grados centígrados o altas presiones.
El amoníaco es más fácil de transportar que el hidrógeno
Por lo tanto, los conceptos alternativos prevén convertir el hidrógeno en amoníaco en el lugar de producción, ya que esto se vuelve líquido a menos 33 grados centígrados. También tiene una mayor densidad de energía. "Un tanque lleno de amoníaco líquido transportaría alrededor de 2,5 veces más energía que un tanque lleno de hidrógeno líquido", explica Schuhmann. Finalmente, el amoníaco tendría que convertirse nuevamente en hidrógeno en el punto de uso. Esto generalmente se hace usando la reacción inversa de Haber-Bosch, en la que el amoníaco (NH3) se convierte en nitrógeno (N2) e hidrógeno (H2). Sin embargo, de los dos productos, solo el hidrógeno se puede utilizar de manera rentable.
Doble rendimiento de hidrógeno
“Por lo tanto, tuvimos la idea de combinar la reacción inversa de Haber-Bosch con una segunda electrólisis del agua para producir un producto que pueda usarse fácilmente para la producción de fertilizantes, como el nitrito o el nitrato, en lugar del nitrógeno”, explica Ieva Cechanaviciute. En esta reacción, el amoníaco (NH3) y el agua (H2O) se consumen para producir nitrito (NO2–) e hidrógeno (H2). En contraste con la reacción inversa de Haber-Bosch, la producción de hidrógeno se duplica y, en lugar de nitrógeno no utilizable, se produce principalmente nitrito, que se puede procesar posteriormente en fertilizante.
Para la reacción, el equipo utilizó electrodos de difusión de gas en los que el amoníaco se puede alimentar como gas. "Esto nunca se había hecho antes", explica Wolfgang Schuhmann. "El amoníaco siempre se usó en forma disuelta".
Superar el cañón termodinámico
Uno de los desafíos para los investigadores fue encontrar un catalizador adecuado con el que se pudiera realizar su idea. Esto se debe a que el material de partida NH3 tiende a convertirse en nitrógeno debido al triple enlace nitrógeno-nitrógeno muy fuerte y no en nitrito. "Primero tuvimos que cruzar este Gran Cañón termodinámico", explica Cechanaviciute. En trabajos anteriores, el equipo ya había experimentado con catalizadores multimetálicos, que demostraron ser adecuados para este propósito. Pudieron convertir el 87 por ciento de los electrones transferidos en nitrito. El equipo también logró evitar el oxígeno como subproducto indeseable de la electrólisis del agua.
“Nuestro trabajo muestra que nuestro experimento mental puede funcionar en principio”, resume Wolfgang Schuhmann. "Pero todavía estamos lejos de la implementación técnica a escala industrial".
La Alianza Universitaria del Ruhr
Desde 2007, las tres universidades de la región del Ruhr se han dedicado a una estrecha cooperación estratégica bajo el paraguas de la Alianza Universitaria del Ruhr (UA Ruhr). Al unir sus fortalezas, las instituciones asociadas están expandiendo sistemáticamente su producción. Actualmente hay más de 100 cooperaciones en los campos de investigación, enseñanza y administración, todas construidas sobre el principio de ser "mejores juntos". Con más de 120.000 estudiantes y casi 1.300 profesores, la UA Ruhr es uno de los centros de ciencia y tecnología más grandes y con mejor rendimiento de Alemania.
