Un gruppo di ricerca dell'Università del Wisconsin-Madison ha identificato un nuovo modo per convertire l'ammoniaca in azoto gassoso attraverso un processo che potrebbe essere un passo verso la sostituzione dei combustibili fossili. La scoperta di questa tecnica, che utilizza un catalizzatore metallico e rilascia, piuttosto che richiedere, energia, è stata riportata l'8 novembre 2021 su Nature Chemistry e ha ricevuto un brevetto provvisorio dalla Wisconsin Alumni Research Foundation.
"Il mondo attualmente è basato su un’economia che fa uso di carburante a emissioni di carbonio", spiega Christian Wallen, autore dell'articolo ed ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio del chimico UW-Madison John Berry. "Non è una grande economia la nostra perché bruciamo idrocarburi, che rilasciano anidride carbonica nell'atmosfera. Non abbiamo un modo per chiudere il cerchio per un vero ciclo del carbonio, in cui potremmo trasformare l'anidride carbonica in un combustibile utile".
Per avviarsi verso l'obiettivo delle Nazioni Unite che il mondo diventi carbon neutral entro il 2050, gli scienziati devono considerare modi ecologicamente responsabili per creare energia da elementi diversi dal carbonio, e il team UW-Madison sta proponendo un'economia energetica dell'azoto basata sulle interconversioni di azoto e ammoniaca.
Gli scienziati erano entusiasti di scoprire che l'aggiunta di ammoniaca a un catalizzatore metallico contenente l'elemento simile al platino rutenio produceva spontaneamente azoto, il che significa che non era richiesta alcuna energia aggiuntiva. Invece, questo processo può essere sfruttato per produrre elettricità, con protoni e azoto gassoso come sottoprodotti. Inoltre, il complesso metallico può essere riciclato attraverso l'esposizione all'ossigeno e utilizzato ripetutamente, il tutto un processo molto più pulito rispetto all'utilizzo di combustibili a base di carbonio.
"Abbiamo capito che, non solo stiamo facendo azoto, lo stiamo facendo in condizioni che sono completamente senza precedenti", afferma Berry, che è il Lester McNall Professor of Chemistry e concentra i suoi sforzi di ricerca sulla chimica dei metalli di transizione. "Essere in grado di completare la reazione ammoniaca-azoto in condizioni ambientali e ottenere energia, è un grosso problema".
L'ammoniaca è stata bruciata come fonte di combustibile per molti anni. Durante la seconda guerra mondiale, è stato utilizzato nelle automobili e gli scienziati oggi stanno prendendo in considerazione modi per bruciarlo nei motori come sostituto della benzina, in particolare nell'industria marittima. Tuttavia, la combustione di ammoniaca rilascia gas tossici di ossido di azoto.
La nuova reazione evita quei sottoprodotti tossici. Se la reazione fosse alloggiata in una cella a combustibile in cui l'ammoniaca e il rutenio reagiscono sulla superficie di un elettrodo, potrebbe produrre elettricità in modo pulito senza la necessità di un convertitore catalitico.
"Per una cella a combustibile, vogliamo un'uscita elettrica, non un ingresso", afferma Wallen. "Abbiamo scoperto composti chimici che catalizzano la conversione dell'ammoniaca in azoto a temperatura ambiente, senza alcuna tensione applicata o sostanze chimiche aggiunte. Questo è il primo processo, per quanto ne sappiamo, per farlo".
Michael Trenerry, studente laureato e autore dell'articolo, ha spiegato che "questa tecnologia potrebbe consentire un risparmio di carburante senza emissioni di carbonio, ma è metà del puzzle. Uno degli svantaggi della sintesi dell'ammoniaca è che l'idrogeno che usiamo per produrre ammoniaca proviene da gas naturale e combustibili fossili". Questa tendenza sta cambiando, tuttavia, poiché i produttori di ammoniaca tentano di produrre ammoniaca "verde".
Man mano che le sfide di sintesi dell'ammoniaca vengono soddisfatte, secondo Berry, ci saranno molti vantaggi nell'utilizzare l'ammoniaca come fonte di energia o combustibile comune. È comprimibile, come il propano, facile da trasportare e facile da conservare. Sebbene esistano già alcune celle a combustibile ad ammoniaca, esse, a differenza di questo nuovo processo, richiedono energia aggiuntiva, ad esempio, dividendo prima l'ammoniaca in azoto e idrogeno.
I prossimi passi del gruppo includono capire come progettare una cella a combustibile che tragga vantaggio dalla nuova scoperta e considerare modi ecologici per creare i materiali di partenza necessari.