I ricercatori della Stanford University hanno scoperto un modo semplice ed ecologico per produrre ammoniaca con minuscole gocce d’acqua e azoto dall’aria.
L’ammoniaca (NH3) è il punto di partenza per la produzione di fertilizzanti chimici per le colture agricole. Il mondo per oltre un secolo, per produrre ammoniaca in grandi quantità si è affidato al processo Haber-Bosch, una scoperta che ha contribuito a rivoluzionare l’agricoltura e a nutrire una popolazione umana in crescita, ma il procedimento industriale è ad alta intensità energetica.
Il processo Haber-Bosch per rompere i forti legami dell’azoto, richiede circa 80-300 atmosfere di pressione e temperature di circa 300-500 °C, inoltre, il trattamento a vapore del gas naturale coinvolto nel processo, rilascia ampie quantità di anidride carbonica che altera il clima.
Il processo Haber-Bosch per soddisfare l’attuale domanda mondiale annuale di 150 milioni di tonnellate di ammoniaca, complessivamente assorbe più del 2% dell’energia globale ed è responsabile di circa l’1% dell’anidride carbonica emessa nell’atmosfera.
Il nuovo metodo invece richiede circostanze meno impegnative. Lo studio del team di ricercatori della Stanford University diretto da Xiaowei Song, è stato pubblicato nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Richard Zare, Professore di Scienze Naturali presso la Stanford University con un incarico presso il Dipartimento di Chimica e un incarico di cortesia presso il Dipartimento di Fisica, tra gli autori dello studio, ha affermato:
«Siamo rimasti scioccati nel vedere che potevamo generare ammoniaca in ambienti favorevoli, a temperatura e pressione di tutti i giorni, unicamente con aria e acqua e usando qualcosa di elementare come uno spruzzatore. Se questo processo potesse essere scalato, rappresenterebbe un nuovo modo ecologico di produrre ammoniaca, uno dei processi chimici più importanti al mondo».
Il nuovo metodo utilizza anche poca energia e a basso costo, indicando così una strada per produrre potenzialmente la preziosa sostanza chimica in modo sostenibile.
Nuova chimica da uno studio di ricerca “Blue-sky”
Il termine “Ricerca sui cieli blu” deriva da Julius Comroe, nel 1976 spiegò come le scoperte scientifiche spesso nascano da percorsi tortuosi guidati dalla curiosità, piuttosto che da un percorso diretto guidato da un obiettivo.
La scoperta della nuova chimica segue le orme del pioneristico lavoro svolto negli ultimi anni dal laboratorio di Richard Zare, esaminando la reattività a lungo trascurata e sorprendentemente elevata delle microgoccioline d’acqua.
Richard Zare e colleghi recentemente in uno studio del 2019 hanno dimostrato che il perossido di idrogeno si forma spontaneamente in microgoccioline a contatto con le superfici. Gli esperimenti da allora hanno confermato un meccanismo di carica elettrica che salta tra i materiali liquidi e solidi e genera frammenti molecolari, noti come specie reattive dell’ossigeno.
I ricercatori Xiaowei Song e Richard Zare andando oltre queste scoperte, hanno iniziato una collaborazione con il coautore dello studio Basheer Chanbasha, professore di chimica alla King Fahd University of Petroleum and Minerals in Arabia Saudita. Basheer Chanbasha è specializzato in nanomateriali per applicazioni energetiche, petrolchimiche e ambientali, la scorsa estate è venuto alla Stanford University come studioso.
Il team di ricerca si è concentrato su un catalizzatore (il termine per qualsiasi sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica ma non è essa stessa degradata o modificata dalla reazione) che sospettavano potesse aiutare a tracciare un percorso chimico verso l’ammoniaca. Il catalizzatore è costituito da un ossido di ferro, chiamato magnetite, e da una membrana sintetica inventata negli anni ’60 composta da catene ripetute di due grandi molecole.
I ricercatori hanno applicato il catalizzatore a una rete di grafite che Xiaowei Song ha incorporato in uno spruzzatore alimentato a gas. Lo spruzzatore ha espulso microgoccioline in cui l’acqua pompata (H 2 O) e l’azoto molecolare compresso (N2) hanno reagito insieme in presenza del catalizzatore.
Xiaowei Song utilizzando un dispositivo chiamato spettrometro di massa, nei dati raccolti ha analizzato le caratteristiche delle microgoccioline e ha visto la firma dell’ammoniaca.
Sintesi di ammoniaca a bassa tecnologia e bassa energia
Richard Zare e colleghi sono stati molto soddisfatti di questo risultato, soprattutto alla luce del metodo relativamente a bassa tecnologia.
Richard Zare ha affermato:
«Il nostro metodo non richiede l’applicazione di alcuna tensione elettrica o forma di radiazione, da una prospettiva chimica più ampia, il metodo è notevole in quanto utilizza tre fasi della materia: l’azoto come gas, l’acqua come liquido e il catalizzatore come solido. A nostra conoscenza, l’idea di utilizzare gas, liquido e solido allo stesso tempo per provocare una trasformazione chimica è la prima nel suo genere e ha un enorme potenziale per far avanzare altre trasformazioni chimiche».
Il metodo di produzione dell’ammoniaca realizzato da Richard Zare, Xiaowei Song e Basheer Chanbasha, sebbene promettente, per ora sia solo in fase dimostrativa. I ricercatori hanno in programma di esplorare come concentrare l’ammoniaca prodotta e valutare come il processo potrebbe potenzialmente essere portato a livelli commercialmente fattibili, mentre il processo Haber-Bosch è efficiente solo se perseguito in enormi strutture, il nuovo metodo di produzione dell’ammoniaca potrebbe essere portatile e fatto in loco o addirittura su richiesta nelle aziende. Ciò, a sua volta, ridurrebbe le emissioni di gas serra legate al trasporto di ammoniaca da fabbriche lontane.
Richard Zare in conclusione ha affermato:
«Speriamo con ulteriore sviluppo che il nostro metodo di generazione dell’ammoniaca possa aiutare ad affrontare i due principali problemi incombenti di continuare a nutrire la crescente popolazione terrestre di miliardi di persone, mitigando al contempo il cambiamento climatico. Siamo fiduciosi ed entusiasti di continuare questa linea di ricerca».