Amoniacul este una dintre cele mai importante substanțe chimice produse la nivel mondial, situându-se pe locul al doilea, după acidul sulfuric, în privința volumului fabricat anual. Este folosit în principal la producerea îngrășămintelor, esențiale pentru hrănirea populației planetei, însă fabricarea sa consumă până la 2% din energia mondială și generează circa 1,5% din emisiile de gaze cu efect de seră. Pe acest fond, cercetătorii de la MIT au anunțat o metodă computațională care poate prezice ce materiale ar putea funcționa cel mai bine drept catalizatori într-o producție electrochimică, mai puțin poluantă. Rezultatele au fost publicate pe 11 august în revista EES Catalysis.
- Producția de amoniac consumă până la 2% din energia mondială și generează circa 1,5% din emisiile de gaze cu efect de seră.
- Peste 90% din amoniacul folosit pentru îngrășăminte se obține prin procesul Haber–Bosch, dependent de combustibili fosili.
- Metoda MIT prezice care aliaje ar putea deveni catalizatori eficienți, evitând testarea de tip încercare și eroare.
Un procedeu vechi de peste un secol domină producția mondială
Modul tradițional de a produce amoniac, utilizat de peste o sută de ani și responsabil pentru marea majoritate a producției, este procesul Haber–Bosch. Acesta se bazează pe combustibili fosili pentru a asigura căldura necesară, iar hidrogenul folosit în reacție provine, la rândul său, în mare parte tot din surse fosile.
Amploarea utilizării este considerabilă: lumea consumă în prezent aproximativ 200 de milioane de tone de amoniac în fiecare an, iar peste 90% din cel destinat îngrășămintelor se obține prin acest procedeu energointensiv. „Dacă vrem să respectăm țintele societății privind sustenabilitatea, energia și schimbările climatice, chiar avem nevoie de o altă alternativă”, explică Constantine Athanitis, doctorand implicat în cercetare.
„Pe măsură ce populația crește, vom avea nevoie de tot mai multă hrană, iar singurul motiv pentru care putem susține atâția oameni sunt îngrășămintele”, spune Athanitis.
Electrochimia, o alternativă care încă nu este competitivă
Există o altă cale de a produce amoniac, folosind electrochimia în locul căldurii și presiunii, dar până acum această metodă nu s-a apropiat de competitivitatea economică la scara necesară. Ea se bazează pe aceleași principii ca electrolizoarele, care folosesc electricitatea pentru a declanșa reacții chimice. „Este, de fapt, reacția electrochimică dintre perechile proton-electron și azotul gazos. Iar aceste tehnologii există”, precizează Athanitis.
Problema ține de randament. „Ritmurile de producție și randamentele sunt încă prea mici”, spune cercetătorul. „Chiar dacă o tehnologie ar putea fi mai bună pentru lume sau pentru climă, companiile și capitalismul nu o vor accepta cu adevărat dacă nu este competitivă ca preț.”
Cum a fost restrânsă căutarea catalizatorului ideal
Ingredientul-cheie al procesului electrochimic este un catalizator metalic, ale cărui proprietăți guvernează reacția care are loc pe suprafața sa. Catalizatorii ajută la desfășurarea reacțiilor chimice, iar caracteristicile lor determină cât de eficient decurg acestea. Un catalizator mai selectiv ar produce mai mult amoniac, reducând reacțiile secundare nedorite.
În mod tradițional, căutarea unor astfel de materiale s-a făcut prin încercare și eroare, testând fiecare combinație posibilă dintre milioanele de aliaje existente — un demers care poate dura ani. Echipa MIT a folosit în schimb instrumente computaționale. O metodă numită teoria funcționalei de densitate recurge la mecanica cuantică pentru a simula proprietățile și comportamentul materialelor, permițând anticiparea performanței diferitelor aranjamente atomice înainte ca acestea să fie create în laborator.
„Abordarea noastră identifică proprietățile fizice-cheie care determină activitatea catalitică în producția de amoniac”, afirmă Bilge Yildiz, profesoară în departamentele de Știința și Ingineria Nucleară și de Știința și Ingineria Materialelor de la MIT. „Am evaluat mai întâi ce proprietăți microscopice ale materialelor le fac potrivite pentru reducerea azotului.”
Cercetătorii s-au concentrat pe nitrurile metalelor de tranziție, considerate deosebit de eficiente în aceste reacții electrochimice ale azotului, deoarece azotul aflat chiar în structura catalizatorului devine parte din reacție. Aceasta declanșează o serie de etape chimice în care fiecare pas furnizează o parte din energia necesară pasului următor, reducând energia totală de intrare. Astfel se atenuează unul dintre marile obstacole ale reacției de reducere a azotului: energia ridicată necesară pentru ruperea legăturilor puternice din moleculele de azot.
Ce ar putea însemna pentru viitorul îngrășămintelor
Pentru un cititor interesat de agricultură și de prețul alimentelor, miza este directă: îngrășămintele pe bază de azot depind de amoniac, iar orice metodă care ar face producția electrochimică competitivă cu Haber–Bosch ar putea, în principiu, reduce atât consumul de energie, cât și emisiile asociate acestui sector. Cercetarea MIT nu oferă încă un catalizator gata de utilizare industrială, ci un mod de a orienta căutarea către materialele cele mai promițătoare, ceea ce ar putea scurta semnificativ drumul de la laborator la aplicații practice.
Credeți că producția electrochimică de amoniac va deveni suficient de competitivă pentru a înlocui procedeul clasic? Spuneți-ne cum vedeți viitorul îngrășămintelor mai curate.
