Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han logrado avances significativos en la comprensión del papel de un catalizador en la generación de amoníaco, un componente crucial de los fertilizantes. Esta investigación se centra en el óxido de cobre, que sirve como catalizador en la reacción electroquímica de reducción de nitrato, una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que el método tradicional de Haber-Bosch. La investigación muestra que durante la reacción se forman pequeñas partículas de cobre que ayudan a convertir los iones de nitrito en amoníaco. Este descubrimiento abre nuevas vías para promover la química industrial sostenible.
La importancia del amoniaco en la producción de fertilizantes es de suma importancia; es la clave de la agricultura moderna. Actualmente, la mayor parte del amoníaco se produce mediante el proceso Haber-Bosch, que combina nitrógeno e hidrógeno a temperaturas y presiones extremadamente altas, consumiendo grandes cantidades de energía y contribuyendo con alrededor del 1,4% de las emisiones globales de dióxido de carbono. Dado que la producción de amoníaco está estrechamente relacionada con el suministro mundial de alimentos, los investigadores están motivados para desarrollar alternativas más limpias.
El profesor Fumiaki Amano y su equipo de investigación se han centrado en el prometedor método de reducción electroquímica de nitratos, que permite la producción de amoníaco a partir de nitratos a temperatura ambiente y presión atmosférica estándar. Este enfoque utiliza electrodos sumergidos en una solución química a la que se aplica un voltaje para inducir reacciones específicas. Aunque estudios anteriores han revelado pasos aislados durante la formación de amoníaco, dilucidar la secuencia completa ha sido un desafío.
Utilizando técnicas de medición avanzadas, el equipo de investigación ha obtenido información valiosa sobre cómo se forma el amoníaco en presencia de un catalizador de óxido de cobre, conocido por sus fuertes propiedades electrocatalíticas. Utilizaron absorción de rayos X operando, una técnica avanzada que evalúa tanto el comportamiento electrónico como los cambios estructurales locales. Al unir pequeñas partículas de óxido de cobre a fibras de carbono, el equipo monitoreó la reacción del catalizador a medida que el voltaje aplicado se hacía cada vez más negativo.
En condiciones de voltaje positivo, los investigadores observaron que los iones de nitrato «pasivaban» el catalizador adhiriéndose a la superficie. Esta pasivación inhibe la conversión de óxido de cobre en cobre metálico, lo que da como resultado la formación de iones nitrito. Sin embargo, a medida que el voltaje cambió a valores más negativos, la producción de amoníaco aumentó dramáticamente. Este pico coincidió con la aparición de partículas metálicas de cobre, como lo indica un pronunciado aumento en los enlaces cobre-cobre. Se descubrió que el cobre metálico facilita la adición de hidrógeno a los iones nitrito, lo que lleva a la producción de amoníaco.
El estudio muestra cómo la pasivación de la superficie afecta el rendimiento del óxido de cobre y destaca la necesidad de generar cobre metálico durante la reacción para una producción eficiente de amoníaco. Estos hallazgos sugieren estrategias más amplias para optimizar los métodos de producción de amoníaco ecológico e informar el diseño de futuros catalizadores electroquímicos.
Esta investigación ha recibido el apoyo de la Universidad Metropolitana de Tokio y el Programa de Becas Global Partner de Tokio y se basa en los resultados del proyecto JPNP14004, encargado por la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Nuevas Energías (NEDO).
