La solución a un misterio de materiales de hace 75 años podría algún día permitir a los agricultores de los países en desarrollo producir sus propios fertilizantes a demanda, utilizando la luz solar y el nitrógeno del aire.
Gracias a una fuente de rayos X especializada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han confirmado la existencia de una larga interacción hipotética entre nitrógeno y dióxido de titanio TiO2, un material fotoactivo común también conocido comotitania: en presencia de luz. Se cree que la reacción catalítica utiliza átomos de carbono encontrados como contaminantes en la titania.
Si la reacción de fijación de nitrógeno se puede ampliar, algún día podría ayudar a impulsar la producción de fertilizantes a gran escala que podría reducir la dependencia de instalaciones de producción centralizadas intensivas en capital y sistemas de distribución costosos que aumentan los costos para los agricultores en áreas aisladas deEl mundo. La mayoría de los fertilizantes del mundo ahora se fabrican con amoníaco producido por el proceso Haber-Bosch, que requiere grandes cantidades de gas natural.
"En los Estados Unidos, tenemos un excelente sistema de producción y distribución de fertilizantes. Sin embargo, muchos países no pueden permitirse el lujo de construir plantas de Haber-Bosch, y es posible que ni siquiera tengan una infraestructura de transporte adecuada para importar fertilizantes. Para estas regiones, la fijación fotocatalítica de nitrógeno podría ser útil para la producción de fertilizantes a pedido ", dijo Marta Hatzell, profesora asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff de Georgia Tech." En última instancia, este podría ser un proceso de bajo costo que podría hacer que los nutrientes basados en fertilizantes estén disponibles.a una gama más amplia de agricultores "
Hatzell y su colaborador Andrew Medford, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech, están trabajando con científicos del Centro Internacional de Desarrollo de Fertilizantes IFDC para estudiar los posibles impactos del proceso de reacción. La investigación se informó el 29 de octubre.en el Journal of the American Chemical Society.
La investigación comenzó hace más de dos años cuando Hatzell y Medford comenzaron a colaborar en un misterio de materiales que se originó con un artículo de 1941 publicado por Seshacharyulu Dhar, un científico indio del suelo que informó haber observado un aumento en el amoníaco emitido por el compost sometido a la luz. Dharsugirió que una reacción fotocatalítica con minerales en el compost podría ser responsable del amoníaco.
Desde ese documento, otros investigadores han informado de la fijación de nitrógeno en la producción de titania y amoníaco, pero los resultados no se han confirmado de manera consistente de forma experimental.
Medford, un teórico, trabajó con el asistente de investigación graduado Benjamin Comer para modelar las vías químicas que serían necesarias para fijar el nitrógeno en la titania para crear potencialmente amoníaco usando reacciones adicionales. Los cálculos sugirieron que el proceso propuesto era altamente improbable en la titania pura, ylos investigadores no lograron ganar una subvención que habían propuesto utilizar para estudiar el misterioso proceso. Sin embargo, se les otorgó tiempo experimental en la Fuente de Luz Avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU., que les permitió finalmente probar un componente clavede la hipótesis.
El equipo especializado en el laboratorio permitió a Hatzell y al estudiante graduado Yu-Hsuan Liu usar la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X XPS para examinar la superficie de la titania mientras el nitrógeno, el agua y el oxígeno interactuaban con las superficies bajo presión cercana al ambiente en la oscuridady en la luz. Al principio, los investigadores no vieron una fijación fotoquímica de nitrógeno, pero a medida que los experimentos continuaron, observaron una interacción única entre nitrógeno y titania cuando la luz se dirigió a la superficie de los minerales.
¿Qué explica la falta inicial de resultados? Hatzell y Medford creen que la contaminación de la superficie con carbono, probablemente de un hidrocarburo, es una parte necesaria del proceso catalítico para la reducción de nitrógeno en la titania ". Antes de la prueba, las muestrasse limpian para eliminar casi todo el rastro de carbono de la superficie, sin embargo, durante los experimentos, el carbono de varias fuentes gases y la cámara de vacío puede introducir rastros de carbono en la muestra ", explicó Hatzell." Lo que observamos fue que redujo el nitrógenosolo se detectaron especies si había un grado de carbono en la muestra "
La hipótesis de la contaminación por hidrocarburos explicaría por qué la investigación anterior había proporcionado resultados inconsistentes. El carbono siempre está presente en niveles traza en la titania, pero obtener la cantidad y el tipo correctos pueden ser clave para que la reacción hipotética funcione.
"Creemos que esto explica los resultados desconcertantes que se informaron en la literatura, y esperamos que brinde información sobre cómo diseñar nuevos catalizadores utilizando este misterio de 75 años", dijo Medford. "A menudo, los mejores catalizadores son los materialesque son muy prístinas y hechas en una habitación limpia. Aquí tienes todo lo contrario: esta reacción realmente necesita las impurezas, que podrían ser beneficiosas para aplicaciones sostenibles en la agricultura ".
Los investigadores esperan confirmar experimentalmente el papel del carbono con las próximas pruebas en el Pacific Northwest National Laboratory PNNL, lo que les permitirá sondear directamente el carbono durante el proceso de fijación fotocatalítica de nitrógeno. También esperan aprender más sobre el mecanismo catalíticopara que puedan controlar mejor la reacción para mejorar la eficiencia, que actualmente es inferior al uno por ciento
La investigación reportada en la revista no midió el amoníaco, pero Hatzell y sus estudiantes lo han detectado en pruebas de laboratorio. Debido a que el amoníaco se produce actualmente en niveles tan bajos, los investigadores tuvieron que tomar precauciones para evitar la contaminación a base de amoníaco"Incluso la cinta utilizada en el equipo puede crear pequeñas cantidades de amoníaco que pueden afectar las mediciones", agregó Medford.
Aunque las cantidades de amoníaco producidas por la reacción son actualmente bajas, Hatzell y Medford creen que con las mejoras del proceso, las ventajas de la producción de fertilizantes in situ en condiciones benignas podrían superar esa limitación.
"Si bien esto puede sonar ridículo desde un punto de vista práctico al principio, si realmente observa las necesidades del problema y el hecho de que la luz solar y el nitrógeno del aire son gratuitos, en términos de costo comienza a parecer más interesante".Medford dijo: "Si pudieras operar una instalación de producción de amoníaco a pequeña escala con suficiente capacidad para una granja, inmediatamente habrías hecho una diferencia".
Hatzell acredita la ciencia de la superficie de vanguardia con finalmente proporcionar una explicación al misterio.
"Desde que los investigadores anteriores analizaron esto, se han realizado avances significativos en el área de medición y ciencia de la superficie", dijo. "La mayoría de las mediciones de la ciencia de la superficie requieren el uso de condiciones de vacío ultra alto que no imitan el entorno catalíticosu objetivo es investigar. La presión ambiental cercana XPS en el laboratorio nacional Lawrence Berkeley, nos permitió dar un paso más cerca de observar esta reacción en su entorno nativo ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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