I ricercatori dell'UCF scoprono meccanismi chiave per la produzione sostenibile di ammoniaca

Un gruppo di ricerca dell’Università della Florida centrale con collaboratori della Virginia Tech ha pubblicato risultati critici sulla sintesi elettrochimica dell’ammoniaca, facendo avanzare la ricerca sui fertilizzanti sostenibili e aiutando così gli sforzi globali per la sicurezza alimentare.

L'ammoniaca, un composto di azoto e idrogeno, è un ingrediente essenziale in molti fertilizzanti per la produzione alimentare. Tuttavia, il suo metodo di produzione principale, il metodo Haber-Bosch, è ad alta intensità di energia e carburante, consumando dal 3% al 5% della produzione mondiale di gas naturale e rappresentando oltre l’1% delle emissioni globali di carbonio.

Utilizzando il rutenio metallico come catalizzatore, i ricercatori hanno identificato il modo più efficiente per produrre ammoniaca attraverso un metodo di produzione più sostenibile: elettrochimicamente. Secondo i ricercatori, questo metodo di produzione può essere più sostenibile quando per alimentare la sintesi elettrochimica viene utilizzata l’elettricità proveniente da fonti rinnovabili, come quella solare o quella eolica.

I risultati sono stati pubblicati di recente su ACS Energy Letters.

Sebbene siano in corso numerosi sforzi di ricerca sulla produzione elettrochimica di ammoniaca, i meccanismi sottostanti devono ancora essere compresi meglio, affermano i ricercatori.

Tuttavia, questa nuova ricerca aiuta a fornire un quadro più chiaro del meccanismo di reazione, afferma il coautore dello studio Xiaofeng Feng, professore del Dipartimento di Fisica dell'UCF

"I risultati di questo lavoro approfondito possono fornire indicazioni importanti ai ricercatori su come progettare catalizzatori più efficienti verso una produzione sostenibile di ammoniaca", afferma Feng.

Come hanno svolto il lavoro

La forza legante ottimale del rutenio con gli intermedi di reazione lo rende uno dei catalizzatori più attivi per la reazione di riduzione dell'azoto, che produce ammoniaca combinando l'azoto con l'idrogeno dalle molecole d'acqua.

Utilizzando la deposizione di strati atomici, i ricercatori sono stati in grado di avere un controllo molto preciso dei nanomateriali sintetizzati su scala atomica, consentendo di testare nanoparticelle di rutenio che vanno da due a otto nanometri.

I ricercatori hanno scoperto che durante la stratificazione degli atomi di rutenio in una struttura catalitica, una disposizione speciale degli atomi superficiali di rutenio – denominata sito di passaggio D5 – era il sito più attivo per la reazione elettrochimica di riduzione dell’azoto.

A differenza di altri siti, il sito D5 possiede il "perfetto equilibrio", favorendo la formazione dell'intermedio N2H e non venendo avvelenato, o reso incapace di consentire a nuove molecole di adsorbire e reagire, dall'intermedio NH2, dicono i ricercatori.

Si è quindi scoperto che le nanoparticelle di rutenio di circa quattro nanometri hanno le migliori prestazioni catalitiche per la reazione di riduzione dell'azoto. L'attività ha raggiunto il picco a quattro nanometri e poi è scesa di cinque volte quando la dimensione delle particelle è raddoppiata, dimostrando l'effetto critico della dimensione delle particelle di rutenio sulla catalisi.

Il lavoro precedente dei ricercatori per migliorare l'efficienza della produzione elettrochimica dell'ammoniaca ha aiutato lo studio attuale fornendo la comprensione meccanicistica e la metodologia di ricerca.

Ricerca collaborativa

La nuova ricerca è una collaborazione tra tre gruppi di ricerca.

Feng e i suoi studenti hanno caratterizzato i campioni di rutenio e li hanno studiati come catalizzatori per la produzione elettrochimica di ammoniaca. Il coautore dello studio Parag Banerjee, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UCF, e i suoi studenti si sono concentrati sulla sintesi precisa delle nanoparticelle metalliche di rutenio nel laboratorio di Banerjee.

Inoltre, il professore della Virginia Tech Hongliang Xin e il suo studente hanno eseguito studi computazionali per modellare e identificare la struttura atomica responsabile delle massime prestazioni catalitiche.

I ricercatori intendono collaborare ulteriormente per sviluppare materiali più complessi ed efficienti utilizzando la deposizione di strati atomici per la produzione sostenibile di ammoniaca, afferma Feng.

Inoltre implementeranno i materiali catalizzatori in dispositivi elettrolizzatori avanzati per migliorare il tasso di rendimento e l'efficienza della produzione di ammoniaca alimentata elettricamente.