Amoníaco con alta eficiencia energética: una innovación hecha en Brasil con el apoyo de la FAPESP

La producción anual de NH3, la principal molécula sintetizada en el mundo, llega a 1,2 millones de toneladas. Y la factibilidad de su empleo en células de combustible elevará la demanda

Por Ricardo Muniz  |  Agência FAPESP – Un nuevo proceso descrito en la revista Electrochemistry Communications transforma nitrógeno e hidrógeno en amoníaco (NH₃) a temperatura y presión ambiente con una alta eficiencia energética. El amoníaco es la principal molécula sintetizada en el mundo, y se la emplea en las más diversas áreas de la cadena productiva. Asimismo, también cumple un papel importante en la economía del hidrógeno, dado que se la revierte fácilmente en nitrógeno e hidrógeno. Anualmente se producen aproximadamente 1,2 millones de toneladas de este compuesto químico.

En función del creciente interés en las rutas de descarbonización, muchos científicos han venido volcando su atención hacia el uso del amoníaco en células de combustible, que son pilas electroquímicas o galvánicas capaces de generar energía eléctrica mediante reacciones químicas específicas, como la reacción de reducción del nitrógeno (NRR, en inglés).

Los grupos de investigación que estudian la electroquímica de la NRR van en busca de dos objetivos principales: la producción de un insumo importante para la industria y potencial combustible del futuro y el almacenamiento del hidrógeno en una molécula –la de amoníaco– que puede diluirse fácilmente en agua y transportarse en forma más segura y barata que el propio hidrógeno. De este modo, si las iniciativas de investigación en células de combustible de amoníaco prosperan, la demanda global de este compuesto aumentará aún más.

Mediante la utilización de un reactor electroquímico, un grupo de científicos que cuenta con el apoyo de la FAPESP ha ido más allá de la forma tradicional de producción industrial, conocida como “proceso de Haber-Bosch”, un proceso térmico que termina liberando en el ambiente grandes cantidades de calor.

“En nuestro reactor, ese proceso transcurre merced a la interacción de electrones y núcleos que disipa mucha menos energía”, explica Rodrigo Fernando Brambilla de Souza, coautor del artículo referido y becario del Centro de Innovación en Nuevas Energías (CINE), uno de los Centros de Investigaciones en Ingeniería (CPE, en portugués) apoyados por la FAPESP junto a la iniciativa privada. Lanzado en mayo de 2018, el CINE cuenta con cofinaciación de la subsidiaria brasileña de la multinacional de petróleo y gas Shell (Shell Brasil) y mantiene convenios de investigación con tres instituciones académicas del estado de São Paulo: la Universidad de São Paulo (USP), la Universidad de Campinas (Unicamp) y el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, en portugués).

Ya existen esfuerzos de grupos de investigación con miras a producir amoníaco en condiciones amenas, pero los procesos electroquímicos convencionales emplean electrolitos líquidos que, pese a que son eficientes para la síntesis del amoníaco, exigen una etapa de purificación del gas de los electrolitos. “Nuestro proceso, al basarse en el uso de electrolitos poliméricos, sólidos, transporta el hidrógeno oxidado, es decir, protones, para que se unan químicamente con moléculas del nitrógeno adsorbido en el catalizador de cobre, produciendo así el amoníaco que sale en forma de gas y eliminando la necesidad de una etapa de purificación para remover los electrolitos”, dice Brambilla Souza. La adsorción es la fijación (adherencia) a una superficie sólida (adsorbente) de las moléculas de un fluido (adsorbido).

“Otra ventaja reside en que el reactor opera en flujo continuo. El nitrógeno y el hidrógeno llegan a los electrodos y el amoníaco producido sale continuamente”, complementa Brambilla Souza, doctor en química por la Universidad Federal del ABC (UFABC) y posdoctorando en el Ipen. “Este artículo muestra resultados en condiciones reales de operación en un reactor, diferente a los de los estudios electroquímicos fundamentales, que no siempre representan resultados reales”, añade Almir Oliveira Neto, doctor en fisicoquímica por la USP con posdoctorado en el Ipen. “Es importante destacar también que el amoníaco obtenido en nuestro estudio es puro, mientras que en otros experimentos aparecen impurezas.”

Además de Brambilla Souza y Oliveira Neto, este trabajo lleva las firmas de Victoria Maia, Camila Santos, Nathália Azeredo y Priscilla Zambiazi, del Ipen, y de Ermete Antolini, de la Scuola Scienza Materiali (de Génova, Italia).

Puede leerse el artículo intitulado Conversion of nitrogen to ammonia using a Cu/C electrocatalyst in a polymeric electrolyte reactor  en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1388248122002235.