es.wedoany.com Noticia: Investigadores de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) han demostrado cómo optimizar el diseño de catalizadores para lograr la síntesis de amoníaco impulsada por energía solar utilizando luz solar, agua, aire y catalizadores organometálicos. Este estudio proporciona información clave para desarrollar tecnologías de producción de amoníaco más eficientes y sostenibles.
El proceso Haber-Bosch, desarrollado hace más de un siglo, convierte el nitrógeno del aire en amoníaco, convirtiéndose en un componente clave de la mayoría de los fertilizantes sintéticos. Hoy en día, aproximadamente la mitad de la producción mundial de alimentos depende de fertilizantes derivados del amoníaco, lo que convierte al proceso Haber-Bosch en una de las innovaciones industriales más importantes de la historia de la humanidad. Sin embargo, la energía necesaria para producir amoníaco representa aproximadamente el 1,2% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, lo que impulsa a investigadores de todo el mundo a buscar métodos de producción más limpios y sostenibles. Los científicos han desarrollado una ruta alternativa y sostenible para la síntesis de amoníaco utilizando marcos organometálicos (MOFs) como catalizadores. Investigadores de la Universidad Técnica de Viena han demostrado ahora que es posible ajustar específicamente la estructura de los MOF para regular sus propiedades catalíticas, proporcionando información valiosa para diseñar tecnologías de producción de amoníaco más eficientes y sostenibles. Este proyecto es el resultado de una cooperación internacional: las mediciones clave provienen de la Universidad Politécnica de Virginia (Virginia Tech) en Estados Unidos, y las simulaciones por computadora fueron realizadas por el Instituto Tecnológico de Israel (Technion – Israel Institute of Technology).
Para producir amoníaco (NH₃), primero se debe activar la molécula de nitrógeno presente en el aire en forma de N₂ para que reaccione con hidrógeno. Este es uno de los enlaces más fuertes en química, donde dos átomos de nitrógeno están unidos por un triple enlace extremadamente estable. En el proceso Haber-Bosch tradicional, esto requiere presiones superiores a 150 bares y temperaturas de al menos 400 °C, condiciones extremas que hacen que el proceso sea altamente intensivo en energía. La naturaleza ofrece una vía más suave: ciertas bacterias utilizan nitrogenasas que contienen hierro para unir y transformar moléculas de nitrógeno en condiciones suaves. Se puede lograr un efecto similar mediante marcos organometálicos (MOFs), que son materiales porosos donde iones metálicos se conectan con compuestos orgánicos específicos para formar estructuras más grandes. "Al igual que las nitrogenasas naturales, también utilizamos hierro en los marcos organometálicos, un metal relativamente barato y fácil de obtener", dice la Dra. Cornelia Baeckmann de la Universidad Técnica de Viena. "La pregunta clave de nuestra investigación es: ¿cómo ajustar los ligandos orgánicos para que el material pueda producir amoníaco?"
"Cuando la luz es absorbida por el marco organometálico, se genera un estado excitado, la carga se redistribuye, especialmente hacia el centro de hierro", dice el profesor Dominik Eder de la Universidad Técnica de Viena. "Los conectores orgánicos circundantes regulan las propiedades del MOF, afectando así su rendimiento catalítico". De esta manera, los conectores orgánicos influyen en la cinética de transferencia de electrones, la fuerza de unión del nitrógeno y la accesibilidad de los protones del agua circundante a los sitios activos. Una vez que la molécula de nitrógeno se adhiere a un sitio de hierro adecuado, su triple enlace extremadamente estable se debilita y se vuelve más reactivo, y luego, mediante transferencias sucesivas de electrones y protones, la molécula se convierte gradualmente en amoníaco.
"Hemos demostrado que pequeños cambios en los ligandos orgánicos pueden alterar significativamente la actividad del catalizador", dice Jana Bischoff, primera autora del estudio e investigadora del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. "Estudiamos una serie de marcos organometálicos que contienen diferentes ligandos orgánicos para comprender cómo regular la actividad de producción de amoníaco". Aunque el trabajo actual no es aún una señal para la producción industrial de amoníaco, representa un paso importante en esa dirección. Los marcos organometálicos (MOFs) abren nuevas y prometedoras vías para el diseño personalizado de catalizadores dirigidos a procesos globalmente importantes y energéticamente desafiantes como la síntesis de amoníaco.
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