La agricultura depende de fertilizantes nitrogenados sintéticos, que se elaboran mediante procesos que consumen mucha energía y carbono y generan escorrentías que contienen nitratos.
por Win Reynolds, Universidad Northwestern
Los investigadores llevan mucho tiempo buscando soluciones para reducir las emisiones de la industria que representa el 3% del consumo de energía cada año.
Una colaboración entre dos laboratorios de la Universidad Northwestern, en asociación con la Universidad de Toronto, ha descubierto que producir el fertilizante urea mediante síntesis electrificada podría desnitrificar las aguas residuales y al mismo tiempo permitir la producción de urea con baja intensidad de carbono. El proceso, que incluye la conversión de dióxido de carbono y nitrógeno residual mediante el uso de un catalizador híbrido hecho de zinc y cobre, podría beneficiar a las instalaciones de tratamiento de agua al reducir su huella de carbono y proporcionar un flujo potencial de ingresos.
Los hallazgos se publican hoy en la revista Nature Catalysis.
«Se estima que los fertilizantes nitrogenados sintéticos sustentan a la mitad de la población mundial», dijo el profesor de Northwestern, Ted Sargent, autor correspondiente del artículo. «Una de las principales prioridades de los esfuerzos de descarbonización es aumentar la calidad de vida en la Tierra y, al mismo tiempo, disminuir la intensidad neta de CO 2 de la sociedad . Descubrir cómo utilizar la electricidad renovable para impulsar procesos químicos es una gran oportunidad en este sentido».
Sargent es codirector ejecutivo del Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía (anteriormente ISEN) e investigador multidisciplinario en química de materiales y sistemas energéticos , con nombramientos en el departamento de química de la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg y la departamento de ingeniería eléctrica e informática de la Escuela de Ingeniería McCormick.
En el campo de Sargent, muchos investigadores han desarrollado rutas alternativas para producir amoníaco, un precursor de muchos fertilizantes, pero pocos han analizado la urea, que es un fertilizante transportable y listo para usar. Representa una industria de 100 mil millones de dólares. El equipo dijo que la investigación surgió de la pregunta «¿Podemos utilizar fuentes de nitrógeno residual, CO2 capturado y electricidad para crear urea?»
Mirando hacia atrás para seguir adelante
Yuting Luo, el primer autor del artículo, becario postdoctoral en el Grupo Sargent e investigador postdoctoral de Banting, dijo que una inmersión profunda en las referencias históricas ayudó a identificar lo que se convertiría en su catalizador híbrido «mágico». Normalmente, los químicos utilizan aleaciones o materiales más complicados para desencadenar reacciones, limitándolas a favorecer un solo paso de reacción a la vez. «Es bastante poco común juntar dos catalizadores que cooperen en modo de retransmisión», dijo Luo. «El catalizador es la verdadera magia aquí».
El equipo vio referencias que se remontan a la década de 1970 que implicaban que los metales puros, como el zinc y el cobre, pueden ser útiles en procesos que involucran la conversión de dióxido de carbono y nitrógeno.
Estos experimentos preliminares, que el laboratorio de Sargent continuó replicando, convirtieron relativamente pocos ingredientes iniciales en el producto deseado (el equipo encontró una eficiencia de conversión de alrededor del 20-30% en urea).
Las fuentes de energía renovables inclinan la balanza
Crear cambios dentro de las industrias requiere análisis cuidadosos de costo-beneficio que demuestren definitivamente que una nueva ruta de producción finalmente dará sus frutos en ahorros de energía y costos. Ahí es donde entró en juego la investigación de la profesora de ingeniería química Jennifer Dunn. Chayse Lavallais, estudiante de doctorado de cuarto año. Estudiante en el laboratorio de Dunn, ayudó al equipo a realizar un análisis exhaustivo del ciclo de vida, incluyendo cuidadosamente cada entrada y salida de energía en una variedad de escenarios.
«Utilizando una red estadounidense promedio, las emisiones de energía son aproximadamente las mismas», dijo Lavallais. «Pero cuando se recurre a fuentes renovables, varios factores reducen las emisiones de energía, incluido el secuestro de CO 2 y los créditos de carbono almacenados en polímeros de uso final. En una instalación de tratamiento de agua, si esto agrega emisiones o energía, no se les anima a utilizar las tecnología. Vimos que esto no afecta significativamente los costos operativos diarios y existe potencial para vender el producto».
Descubrieron que la eficiencia de conversión tendría que alcanzar el 70% para que fuera práctico.
Perfeccionando la proporción del ‘catalizador mágico’
Al final, los investigadores alcanzaron su objetivo a partir de un simple error. Su hipótesis era sólida: una capa de zinc sobre cobre daría como resultado un mejor rendimiento. Pero inicialmente, no encontraron eso en absoluto porque estaban aplicando la capa de zinc demasiado gruesa y usando una proporción de zinc a cobre de uno a uno, lo que hacía que el material se comportara como si solo estuviera interactuando con el zinc. En un momento dado, alguien añadió menos aglutinante de lo habitual a la mezcla y algo de zinc se eliminó, y el experimento funcionó muy bien. Luego, el equipo ajustó los metales en consecuencia y determinó que una proporción de una parte de zinc por 20 partes de cobre daba como resultado un rendimiento óptimo.
El grupo Sargent también aplicó una lente computacional para descubrir por qué el cobre y el zinc funcionaban tan bien juntos y por qué parecía necesario que hubiera sinergia entre las dos reacciones. Debido a que es imposible capturar estas reacciones visualmente (ocurren en la escala de nanosegundos), es necesario calcularlas y determinar cómo se mueven los electrones a través de una reacción.
Este proceso tuvo dos tramos diferenciados. En primer lugar, el carbono debe interactuar con el zinc, ya que una reacción con el cobre produce una reacción débil. En la segunda etapa, ocurre lo contrario: el nitrógeno y el cobre crean una reacción eficiente, mientras que el zinc hace muy poco.
Hay un camino por recorrer antes de que el proceso pueda comercializarse, dijeron los investigadores. Principalmente, la reacción tal como está no tiene en cuenta las impurezas que se encuentran en el contexto del tratamiento del agua. También esperan aumentar la cantidad de tiempo que su proceso puede operar.
Más información: Yuting Luo et al, Síntesis electroquímica selectiva de urea a partir de nitrato y CO2 mediante catálisis de retransmisión en catalizadores híbridos, Nature Catalysis (2023). DOI: 10.1038/s41929-023-01020-4
