Un proceso sorprendentemente simple permite la síntesis de amoníaco en condiciones suaves
27 de octubre de 2021
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Efecto inimaginable: El proceso de molienda en un molino de bolas activa un catalizador de tal manera que facilita la síntesis de amoníaco a una temperatura y presión mucho más bajas que las necesarias en el proceso Haber-Bosch bien establecido.
Quinientos grados centígrados y 200 bar: estas son las condiciones que generalmente se requieren para que el nitrógeno se combine con el hidrógeno para generar amoníaco. Solo en esta forma el nitrógeno puede ser utilizado por las plantas. A pesar de toda la controversia que rodea a los fertilizantes minerales, el proceso Haber-Bosch está haciendo una contribución esencial a la alimentación de la creciente población mundial. Por lo tanto, no es de extrañar que Fritz Haber y Carl Bosch, así como el investigador de Max Planck Gerhard Ertl, quien dilucidó exactamente lo que sucede en el proceso, fueran galardonados con el Premio Nobel de Química. Sin embargo, los químicos todavía están obsesionados con la síntesis de amoníaco. "Esta ha sido una reacción de ensueño durante 100 años", dice Ferdi Schüth, director del Max-Planck-Institut für Kohlenforschung en Mülheim an der Ruhr. Esto expresa tanto lo económicamente importante que es la transformación como lo difícil que es lograrla. Debido a que el amoníaco se considera un medio de almacenamiento potencial para el hidrógeno producido con energía renovable, podría ser aún más importante.
A los químicos les gustaría prescindir de las duras condiciones de reacción, también debido a la cantidad de energía requerida. Se han realizado esfuerzos considerables para encontrar un método alternativo de producción: otros catalizadores, luz como fuente de energía, electrólisis e incluso mecanocatálisis, procesos que tienen lugar en un molino de bolas. Pero estos métodos han producido solo cantidades diminutas de amoníaco (si es que hay alguna).
Un rendimiento superior al de otras alternativas al proceso de Haber-Bosch
Cuando planeó sus experimentos en el molino, que enrolla sólidos con bolas de acero, Steffen Reichle no esperaba grandes cantidades. "Al principio, me preocupaba principalmente cómo detectar cantidades muy pequeñas de amoníaco", dice el químico, que está haciendo su doctorado en el Max-Planck-Institut für Kohlenforschung. A presión atmosférica, el gas se formó solo con una fracción de volumen de alrededor del 0,1%. A 20 bar, sin embargo, se produjo al 0,26 por ciento en volumen y en condiciones aún más optimizadas, al 0,4 por ciento. Eso es suficiente para poder detectar el producto con métodos de medición convencionales y ciertamente más de lo que han producido los enfoques anteriores para encontrar una ruta alternativa al proceso haber-Bosch. "Y con optimizaciones técnicas, probablemente podamos aumentar aún más el rendimiento", dice Reichle. También diseñó el proceso de tal manera que la materia prima se pueda pasar continuamente a través del molino de bolas y el amoníaco fluya constantemente fuera del recipiente de reacción. La industria química prefiere tales procesos porque son más fáciles de manejar que aquellos en los que los reactivos deben combinarse en porciones en un recipiente cerrado y la reacción se interrumpe constantemente para aislar el producto.
Los químicos lograron el rendimiento relativamente alto en la síntesis de amoníaco en el molino de bolas buscando primero el catalizador óptimo. Específicamente, querían mejorar los efectos del hierro, un componente esencial del catalizador convencional De Haber-Bosch. Lo hicieron mezclando el cesio metálico alcalino con el polvo de hierro. Combinado con las fuerzas mecánicas de las bolas de molienda, el aditivo activó el catalizador hasta tal punto que el nitrógeno inerte se combinó con el hidrógeno incluso en condiciones relativamente suaves.
Los investigadores tienen varias explicaciones posibles para el efecto estimulante del cesio. Sin embargo, todavía se desconoce por qué el simple proceso de molienda aumenta la reacción. Ahora quieren llegar al fondo de eso. "Si obtenemos una mejor comprensión de lo que sucede exactamente en el proceso, podemos encontrar una manera de aumentar aún más el rendimiento del amoníaco", dice Schüth. El molino de bolas también podría convertirse en el medio de elección para la síntesis de amoníaco".
