Cercetătorii dezvoltă un catalizator care accelerează producția de amoniac verde
Procesul Haber-Bosch, folosit de peste un secol pentru sinteza amoniacului, a fost esențial pentru industria îngrășămintelor și pentru evitarea unei crize alimentare globale. Totuși, metoda consumă aproximativ 1% din energia mondială și generează peste 1% din emisiile antropice anuale de CO₂, din cauza condițiilor extreme de temperatură și presiune pe care le implică.
O soluție promițătoare vine din partea unui grup de cercetători care a proiectat un nou cadru organic covalent (COF), folosit ca electrocatalizator pentru reducerea electrocatalitică a nitraților (NO₃RR). Această abordare folosește nitrații din scurgerile agricole și din apele uzate industriale, care poluează sistemele de apă, pentru a produce amoniac într-un mod mai prietenos cu mediul.
Echipa a dezvoltat trei variante ale catalizatorului, cu 0, 2 sau 4 grupări hidroxil (-OH). Versiunea cu patru grupări hidroxil (Cu-COF-4OH) a avut cele mai bune rezultate, atingând o eficiență faradaică maximă de 98,95% și de 93,20% în condiții standard de testare. Aceasta înseamnă că aproape întreaga sarcină electrică este direcționată spre producția de amoniac, în loc să genereze subproduse nedorite.
Grupările hidroxil reorganizează moleculele de apă
Producția electrocatalitică de amoniac este o alternativă mai curată la procesul Haber-Bosch, deoarece folosește nitrați, care reacționează mai ușor și se dizolvă în apă, în locul azotului gazos, greu de descompus din cauza legăturii triple puternice. Însă transformarea nitraților în amoniac necesită nouă protoni pentru fiecare moleculă de nitrat, iar în catalizatorii obișnuiți protonii se deplasează lent și aleatoriu prin apă, ajungând în număr prea mic la situsurile active.
Pentru a depăși acest obstacol, cercetătorii au combinat o moleculă centrală care conține cupru (CuPc) cu un bloc de construcție aldehidic ce conține grupări hidroxil, obținând un material poros, asemănător unei rețele. Grupările hidroxil ajută centrii de cupru să capteze nitrații și reorganizează moleculele de apă din jur în lanțuri continue de legături de hidrogen, creând „autostrăzi” rapide pentru protoni, care ajung direct la centrii activi de cupru.
În timpul electrolizei apei, o reacție concurentă numită reacția de degajare a hidrogenului (HER) tinde să domine, consumând energie pentru a produce hidrogen gazos sau lăsând în urmă nitrit toxic parțial convertit. Noul cadru organic covalent aduce împreună nitrații, protonii și electronii la momentul potrivit, crescând producția și selectivitatea amoniacului și evitând subprodusele.
Rezultate promițătoare, dar testate doar în laborator
Pentru testare, echipa a folosit o celulă de curgere cu ansamblu membrană-electrod (MEA), obținând o rată ridicată de producție a amoniacului de 65,84 mg pe oră și o eficiență faradaică de 93,20%. Cercetătorii au construit și o baterie zinc-nitrați care a îndeplinit simultan trei funcții: a curățat poluarea cu nitrați, a atins o rată de producție a amoniacului de 263,2 μg/cm²/h la o densitate de curent de 6 mA/cm² și a produs o densitate maximă de putere de 1,4 mW/cm².
În plus, catalizatorul a permis obținerea de pulbere solidă albă pură de clorură de amoniu, potrivită pentru îngrășăminte comerciale, prin captarea amoniacului generat în acid și evaporarea lichidului.
Rezultatele sunt promițătoare, însă catalizatorul a fost testat până acum doar în soluții preparate de nitrați. Sunt necesare cercetări suplimentare folosind ape uzate reale, mai complexe, pentru a verifica dacă eficiența catalizatorului se menține.
