Di per sé l’ammoniaca è una molecola naturale: si trova nell’ecosistema come derivata dell’azoto e viene prodotta e consumata da numerosi batteri presenti nel suolo, fondamentali per l’equilibrio dei terreni. Il ciclo che porta alla produzione dell’ammoniaca parte dall’azoto presente in atmosfera – dove come N2 costituisce l’80% dei gas – che ad opera di batteri chiamati azotofissatori (che vivono sia nel terreno che nelle radici di molte piante, quali le leguminose) e tramite un enzima chiamato nitrogenasi viene trasformato in ammoniaca e ioni di ammonio. Solo in questo modo può esser ulteriormente rielaborato e assorbito da molti altri organismi quali piante, funghi e altri batteri ed entrare nei cicli alimentari superiori. La natura è molto abile nel produrre ammoniaca e lo fa a pressione e temperatura ambiente. Tuttavia, questo processo è molto lento e impossibile da adattare alla produzione industriale.
Per l’economia umana, però, occorre una produzione industriale di ammoniaca perché oggi il bisogno di questa molecola è tale che essa è addirittura la seconda sostanza chimica più prodotta al mondo, superata solo dall’acido solforico. Si stima che la produzione mondiale di ammoniaca ammonti a circa 200 megatonnellate all’anno. Essa viene utilizzata soprattutto in agricoltura per la produzione dei fertilizzanti sintetici. Meno del 2% della produzione globale viene utilizzato come refrigerante.
Esistono diversi metodi per produrre ammoniaca su scala industriale, ma il processo Haber-Bosch rimane il più diffuso, rappresentando circa il 90% della produzione totale. In ogni caso, Haber-Bosch e gli altri processi coinvolti nella produzione su scala industriale richiedono alte temperature (più di 400°C) e alte pressioni (più di 150 bar). Queste condizioni sono necessarie per rompere i forti legami nell’azoto e reagire con l’idrogeno per formare ammoniaca (NH3).
Questi processi, che assorbono circa l’1% del consumo energetico globale, sono in gran parte basati sui combustibili fossili. Quindi, l’ammoniaca è la reazione chimica a più alta intensità di gas serra a livello globale, con un totale di circa l’1,5% delle emissioni globali totali di CO2. Inoltre, si prevede che la domanda di ammoniaca aumenterà nei prossimi anni, principalmente a causa del suo utilizzo nei fertilizzanti sintetici necessari per nutrire una popolazione globale in aumento.
Una produzione più sostenibile dell’ammoniaca è, dunque, una sfida per l’industria. «Oggi l’ammoniaca è prodotta in alcune delle più grandi fabbriche del mondo. Il modo veramente efficiente per produrla è ad alte temperature e ad alta pressione e utilizzando una materia prima a base di carbonio» afferma il professor Tejs Vegge dell’Università Tecnica Danese DTU Energy e del VILLUM Center for the Science for Sustainable Fuels and Chemicals (V-Sustain). Egli, insieme al professor Ping Chen del Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences, ha guidato una ricerca sperimentale e computazionale, pubblicata nella rivista Nature Catalysis, che descrive una nuova classe di catalizzatori che permetterebbero di produrre ammoniaca in maniera più sostenibile rispetto ad oggi.
Un potenziale punto di svolta
Per decenni gli scienziati hanno lavorato duramente per trovare modi nuovi e più sostenibili per produrre ammoniaca. Insieme al gruppo di DICP, Tejs Vegge e i suoi colleghi del DTU, il dott. Jaysree Pan e il professore associato Heine A. Hansen, hanno introdotto un potenziale punto di svolta con una nuova classe di catalizzatori di idruri metallici complessi che hanno permesso loro di raggiungere l’ambita condizione per la sintesi dell’ammoniaca. Essi sostengono che il loro metodo potrebbe aprire la strada a nuovi e più sostenibili mezzi di produzione di ammoniaca. Il loro articolo è stato pubblicato su Nature Catalysis.
Il processo descritto consente di sintetizzare ammoniaca a temperature fino a un massimo di 300°C e a pressioni fino a 1 bar. L’applicazione pratica di questi catalizzatori mostra risultati promettenti per quanto riguarda la produzione su piccola scala di ammoniaca basata su energia rinnovabile. Tali sistemi richiederebbero altrimenti catalizzatori operanti a pressioni intorno a 50 bar e temperature inferiori a 400°C.
«Riteniamo che la nostra ricerca si distingua per il fatto che questa nuova classe di catalizzatori si trova effettivamente da qualche parte tra i processi biologici e industriali. Ha qualcosa del processo artificiale – catalisi eterogenea – e qualcosa della catalisi enzimatica e omogenea. È un modo completamente nuovo di produrre ammoniaca e stiamo usando il meglio di entrambi i mondi potendo così abbassare significativamente la temperatura e la pressione».
Lavoro d’orchestra
Fondamentalmente, la classe alternativa di catalizzatori idruri metallici complessi (Li4RuH6 e Ba2RuH6) può catalizzare la formazione di ammoniaca da idrogeno (H2) e azoto (N2). La riduzione dell’azoto è realizzata tramite più complessi di idruro di rutenio, [RuH6]4-, che sono ricchi di elettroni e idrogeno. L’idrogeno trasporta elettroni e protoni tra il centro del catalizzatore e l’azoto. Allo stesso tempo, i metalli alcalini litio o bario (Li/Ba) stabilizzano gli intermedi di reazione. Tuttavia, il processo è altamente dinamico; diverse parti del complesso assolvono anche ad altre funzioni. I calcoli da soli hanno richiesto anni per essere completati.
«Questo metodo è completamente diverso da quanto abbiamo visto fino ad ora. Ad esempio, sebbene il rutenio sia un componente ben noto nella catalisi dell’ammoniaca, è presente in una forma diversa e si comporta in modo diverso. È circondato da atomi di idrogeno e forma un complesso di idruro, che gli consente di trasferire l’idrogeno in un modo nuovo. Potresti immaginare questo catalizzatore come un’orchestra sinfonica, dove ogni parte deve funzionare insieme per funzionare. La parte affascinante è che funziona, non ci sono note stonate» afferma Tejs Vegge.
Democratizzazione del processo di produzione
«La catalisi dell’ammoniaca è probabilmente il sistema catalitico più studiato al mondo. Trovare un meccanismo veramente nuovo che apra una porta in un nuovo mondo è molto soddisfacente per uno scienziato. Tuttavia, potrebbe anche aprire nuove possibilità per la produzione di ammoniaca in modo meno dispendioso in termini di energia. Le grandi fabbriche di oggi sono necessarie per rendere redditizia la produzione. I nostri catalizzatori o concetti simili possono consentire la produzione in fabbriche più piccole e decentralizzate. Ciò ridurrebbe anche i trasporti, che aumentano notevolmente il prezzo e le emissioni di CO2 dell’ammoniaca oggi».
QUI l’articolo pubblicato in Nature Catalysis.
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