Investigadores de Stanford encuentran una nueva forma de producir amoníaco que no emite CO2

En un proyecto del Zarelab de Stanford, los científicos Richard Zare, Xiaowei Song y Chanbasha Basheer descubrieron un nuevo proceso químico ecológico que, según dicen, podría transformar la forma en que creamos amoníaco, la base del fertilizante más común del mundo. En 2022, la producción mundial de amoníaco fue de alrededor de 150 millones de toneladas métricas.

El amoníaco (NH3), un compuesto inorgánico de nitrógeno e hidrógeno, sirve como componente básico para crear fertilizantes químicos para cultivos agrícolas. Alrededor del 70 % del amoníaco se usa para fertilizantes que ayudan al crecimiento de las plantas, mientras que el otro 30 % se usa principalmente para plásticos, explosivos y fibras sintéticas.

Durante más de 100 años, el amoníaco se ha creado con el proceso Haber-Bosch, que convierte el nitrógeno en amoníaco para fertilizantes. El proceso utiliza alrededor del 2% de la energía mundial y contribuye al 1,3% de las emisiones globales de dióxido de carbono cada año, según Richard Zare, director de Zarelab y profesor Marguerite Blake Wilbur de Ciencias Naturales en Stanford.

"Es bien sabido que el proceso Haber-Bosch es uno de los procesos industriales más importantes de la química. Después de todo, es lo que la gente usa para alimentar al mundo", dijo Zare. "La gente pensaba a fines del siglo XIX que todos íbamos a morir de hambre en última instancia porque la población crecía más rápido de lo que podíamos hacer que las plantas comieran. Lo que nos salvó fue un desarrollo asombroso de Fritz Haber, quien aprendió cómo tomar nitrógeno y convertirlo en en amoníaco".

Según Zare, este proceso consume mucha energía porque la molécula de nitrógeno es bastante inerte, lo que significa que no reacciona fácilmente con el hidrógeno para formar el amoníaco deseado. Los átomos de hidrógeno deben provenir de una fuente, y el proceso Haber-Bosch utiliza vapor (H2O) para convertir el gas natural (metano, CH4) en H2 y CO, obteniendo los átomos de hidrógeno. Con más vapor agregado, el CO se convierte en dióxido de carbono (CO2) y se generan más átomos de hidrógeno.

Por lo tanto, este proceso es un gran emisor de gases de efecto invernadero. Zare dijo que se estima que el 7% de las emisiones industriales mundiales de CO2 provienen de la producción de amoníaco.

En el nuevo proceso de Zare, Song y Basheer para crear amoníaco, la fuente de hidrógeno no es el metano sino el agua y, como tal, no se emite dióxido de carbono. Su proceso tampoco involucra voltaje aplicado, ni irradiación por una fuente de luz y se lleva a cabo a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Su hallazgo se basa en una investigación reciente de Zarelab que examina la alta reactividad de las microgotas de agua. El agua a granel tiende a ser benigna e inerte, pero las gotas de agua son altamente reactivas. Según Song, estas microgotas se pueden considerar como la niebla de un humidificador. "Estas son pequeñas propiedades", dijo.

Zare dijo que el laboratorio encontró que las microgotas de agua producen una fuerte reacción química cuando golpean superficies duras. Para producir amoníaco, el equipo de científicos rompe los enlaces de nitrógeno moviendo microgotas de agua, gas nitrógeno y óxido de hierro a través de un rociador a gas. El proceso se basa en la capacidad de las microgotas de agua para reaccionar en superficies duras.

El óxido de hierro sirve como catalizador para la reacción, acelerando la reacción sin que la reacción lo cambie. Los investigadores colocaron el catalizador en una malla de grafito para el rociador. Luego, el rociador libera microgotas, donde el agua bombeada y el nitrógeno reaccionan con la ayuda del catalizador para formar amoníaco (NH3).

Cuando el equipo descubrió que podían crear amoníaco sin CO2, estaban emocionados, según Song, pero cautelosos.

"Tuvimos que ser torturados acerca de si era nuestro resultado esperado, y necesitábamos tener muchos controles", dijo Song.

"Para que esto sea un gran problema, debe ampliarse y demostrar que todos los pasos involucrados tienen un buen sentido económico", dijo Zare. "Todavía no hemos resuelto el problema; todavía estamos hablando de pequeñas gotas".

Zare dijo que el próximo paso para escalar este proyecto es colaborar con los ingenieros. Dijo que la línea de tiempo para tener amoníaco a escala debería tomar menos de cinco años, pero tomará al menos un año. Agregó que el proceso Haber-Bosch tardó cinco años en terminar.

"Este es un avance clave que puede mejorar significativamente la sostenibilidad de la producción de amoníaco si se implementa a escala", dijo Eric McShane, un académico postdoctoral en ingeniería química del Grupo Cargnello de Stanford. "Usar agua en lugar de hidrógeno como materia prima para la producción de amoníaco podría reducir el requerimiento total de energía para la producción de amoníaco".

McShane también estuvo de acuerdo con los investigadores en que "el desafío es escalar su proceso y garantizar un rendimiento de amoníaco lo suficientemente alto".

"Si realmente funciona, es enorme", dijo Zare. "Reduciría el costo de los alimentos y nos ayudaría con respecto al cambio climático. Es enorme si realmente se puede hacer".

Anna McNulty '24 es una escritora climática en The Daily. Comuníquese con ella en news 'at' stanforddaily.com.