Todos sabemos que el amoniaco (NH3) ha jugado un papel determinante en la agricultura, ya que básicamente ha cimentando la industria de los fertilizantes sintéticos, siendo el primero y principal compuesto utilizado como fertilizante nitrogenado, lo que permitió mejorar el rendimiento de cultivos, y desde luego, alimentar a muchas más personas en todo el mundo. Y el proceso Haber-Bosch utilizado para la producción de amoniaco a partir del nitrógeno del aire es la base de la industria de la síntesis de amoniaco.
El amoniaco ha tenido un rol importante en la agricultura. Fuente: imagen editada en Powerpoint, original de Wikipedia.com.
El proceso Haber-Bosch se basa en la síntesis de amoniaco mediante la reacción entre hidrógeno y nitrógeno gaseosos.
El problema es que el nitrógeno molecular (N2) es muy estable, y a pesar de que el nitrógeno es muy abundante en el aire (78%) es muy difícil hacerlo reaccionar para producir amoniaco, es por eso que se requiere llevar a cabo la reacción sobre catalizadores especializados, generalmente de hierro y oxido de aluminio, y altas presiones (150-300 atm) y temperaturas (200-300 °C), para poder desplazar el equilibrio de la reacción hacia la formación de los productos. Estas condiciones de reacción tienen un elevado costo de energía que es aportado mediante combustibles fósiles, especialmente el hidrogeno utilizado para llevar a cabo la reacción se obtiene de gas metano.
Esquema del proceso Haber-Bosch. Fuente: Wikipedia.org
Obtener hidrógeno para el proceso a partir del metano no solo consume mucha energía, sino que también tiene asociada la emisión de grandes cantidades de dióxido de carbono.
A fin de limitar el uso de metano en el proceso, se han propuesto catalizadores basados en complejos de nitruro metálico, para poder llevar a cabo la reacción en condiciones más suaves y utilizando hidrógeno produciendo a partir de la electrolisis del agua. Entre ellos se pueden mencionar catalizadores de nanoparticulas de níquel o cobalto como fase activa soportados sobre nitruro de Lantano (LaN). Este tipo de catalizadores ha resultado muy efectivo, ya que tanto el metal activo como el soporte actúan sinérgicamente en la reacción, el metal activo divide la molécula diatónica de hidrógeno mientras que el soporte tiene vacantes de nitrógeno que adsorben el nitrógeno molecular.
Metales activos como Ni o Co dispersos sobre LaN como soporte sirven como catalizadores más económicos para la síntesis de amoniaco. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
El problema de este sistema catalítico es que debido a su sensibilidad al aire y el agua, su rendimiento decae frente a la humedad, haciendo que el LaN reaccione formando hidróxido de lantano. Esto ha limitado seriamente el uso de este catalizador en aplicaciones industriales.
Pero esta condición quizás haya encontrado una solución, y es que un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Tokio han logrado desarrollar un catalizador más estable frente a la humedad, esto fue posible incorporando átomos de aluminio en la estructura del soporte, obteniendo un soporte basado en el La3AlN, y este compuesto demostró ser químicamente más estable, tal parece que los enlaces La-Al evitan que los átomos de lantano reaccionen con el agua de la humedad.
El catalizador de M/La-Al-N (siendo M= Ni, Co) demostró una actividad catalítica para la producción de amoniaco comparable a la de producción de los catalizadores de M/LaN convencionales, manteniéndose estable luego de incorporar al sistema de reacción gas nitrógeno que contenía un 3,5% de humedad.
El análisis cinético del experimento permitió concluir que los enlaces La-Al-N son responsables de la absorción y activación de la molécula de nitrógeno, a pesar de las cantidades de aluminio que se incorporó a la red del soporte, todo parece demostrar que mientras los átomos de aluminio brindan estabilidad al soporte la coordinación local del N de la red permanece inalterada, de tal manera que el soporte realiza la absorción de la molécula de N2 mientras que el metal activo es responsable de la activación de la misma.
Mecanismo catalítico para la síntesis de amoniaco con Ni/La-Al-N. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.
Si bien el proceso Haber-Bosch ha sido de gran importancia para la agricultura mundial, su elevado consumo de energía y generación de dióxido de carbono hacen necesario en el contexto mundial actual el desarrollo de alternativas más sustentables para la producción de amoniaco, y en esto, el desarrollo de catalizadores que permitan llevar a cabo el proceso Haber-Bosch en condiciones más suaves, utilizando hidrogeno producido a partir de la electrolisis del agua mediante energías renovables es una buena alternativa para actualizar este método de obtención de amoniaco.
Bueno amigos, espero que les haya gustado la información y que este sistema catalítico avance para brindarnos un método más sustentable para producir fertilizates nitrogenados. ¡Hasta la próxima!
Referencias
Yangfan Lu, Tian-Nan Ye, Jiang Li, Zichuang Li, Haotian Guan, Masato Sasase, Yasuhiro Niwa, Hitoshi Abe, Qian Li, Fushen Pan, Masaaki Kitano, Hideo Hosono (2022). Approach to Chemically Durable Nickel and Cobalt Lanthanum-Nitride-Based Catalysts for Ammonia Synthesis; Angewandte Chemie International Edition
Wikipedia.com. Proceso Haber
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gracias por tan importante tema y nos educa mucho saludos
Gracias a ti por pasar a leer amigo, me alegra que te gustara el tema.