Síntesis de amoníaco usando luz visible y nanopartículas de oro

Dibujo20140904 au nanoparticles and ru on srtio3 surface - Angewandte Chemie

El gran objetivo de la fotosíntesis artificial es producir hidrógeno, el vector energético del siglo XXI. La mejor manera de transportarlo en vehículos de hidrógeno es usar amoníaco (se condensa fácilmente en un líquido y contiene un 17,6% de hidrógeno en peso). Lo ideal sería producir directamente el amoníaco a partir de la luz solar. Por primera vez se ha logrado gracias a la síntesis inducida por plasmones, un proceso fotoelectroquímico catalizado por nanopartículas de oro.

La síntesis de amoníaco a nivel industrial es costosa porque el proceso de Haber-Bosch (reacción de nitrógeno (aire) e hidrógeno (metano) para producir amoníaco) requiere alta presión (150-300 atmósferas), alta temperatura (400-500 °C) y su rendimiento es bajo (10-20%). Se publica en Angewandte Chemie un nuevo proceso barato y muy prometedor. Quizás los futuros coches con pilas de hidrógeno utilicen como “combustible” el amoníaco producido en plantas solares.

El artículo técnico es Tomoya Oshikiri, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa, “Plasmon-Induced Ammonia Synthesis through Nitrogen Photofixation with Visible Light Irradiation,” Angewandte Chemie 53: 9802–9805, 08 Sep 2014.

Dibujo20140904 schematic illustration of ammonia synthesis device using photoelectrode loaded with Au NPs - Angewandte Chemie

La luz visible (550 nm) incide sobre el fotoelectrodo de titanato de estroncio (SrTiO3) dopado con un 0,05% (en peso) de niobio (Nb) que actúa como pared que separa dos celdas: en el cara del ánodo el Nb-SrTiO3 está recubierto de nanopartículas de oro (Au) y en la cara del cátodo de rutenio (Ru). La reacción fotoelectroquímica inducida por plasmones requiere un gradiente de pH entre ambas cámaras. En el ánodo se usa una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) y etanol (EtOH). En el cátodo se usa una solución acuosa de ácido clorhídrico (HCl). El amoníaco (NH3) se forma en la superficie de rutenio por reducción de nitrógeno gaseoso (aire) que rellena la cámara del cátodo.

Dibujo20140904 formed ammonia as function of solar irradiation and quantum efficiency - Angewandte Chemie

Esta figura (izquierda) muestra la formación de NH3 en la cámara del cátodo (en nanomoles) en función del tiempo de irradiación solar (en horas). La producción es lineal con el tiempo de irradiación solar (puntos azules), simulada con una lámpara de xenón. Las nanopartículas de oro son fundamentales: Los puntos rojos corresponden al Nb-SrTiO3 sin nanopartículas de Au pero bajo irradiación y los puntos negros al Nb-SrTiO3 con nanopartículas de Au sin irradiación (de la lámpara de xenón).

En la parte derecha se muestra la eficiencia cuántica (aparente) de la formación de NH3 en función de la longitud de onda incidente. La línea continua representa la predicción teórica basada en un modelo cinético de la resonancia entre plasmones superficiales y nanopartículas de oro. Futuros estudios tendrán que estudiar en detalle el papel de los plasmones en el proceso de síntesis. Entender la ciencia básica de este proceso permitirá optimizarlo.

En resumen, se ha logrado por primera vez la “fotosíntesis artificial” de amoníaco, pero faltan décadas para que el nuevo proceso de síntesis inducida por plasmones se transforme en un proceso industrial que pueda competir con el proceso de Haber-Bosch. Aún así, como muchas otras aplicaciones nanotecnológicas emergentes, creo que se le puede augurar un futuro muy prometedor.

Coda final. Esta anotación participa en el XXXIX Carnaval de la Química cuyo anfitrión es el blog Gominolas de petróleo.

9 Comentarios

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Mirko SaamMirko Saam

Muy bien; pero qué sucederá con el nitrógeno del amoniaco cuando reaccione con el oxigeno en la pila de combustible? Sera emitido a la atmósfera como “óxidos de nitrógeno”. Y desgraciadamente, ya tenemos bastantes desajustes con el ciclo del nitrógeno como para anadir una fuente mas de desequilibrios…

JavierJavier

¿De verdad que le espera un futuro prometedor a décadas vista? No soy especialista en el tema, pero me extraña que se pueda decir ya que algo es prometedor dentro de muchas décadas. ¿Hay algún ejemplo de tecnologías prometedoras que empezaron con una eficiencia de 10^-5?

JaviJavi

Ya, no he sido del todo concreto

“pero faltan décadas para que el nuevo proceso de síntesis inducida por plasmones se transforme en un proceso industrial que pueda competir con el proceso de Haber-Bosch. Aún así, como muchas otras aplicaciones nanotecnológicas emergentes, creo que se le puede augurar un futuro muy prometedor.”

¿Cuántos de esos procesos prometedores quedan por el camino?

Lo digo porque por descubrir cosas *prometedoras* es una cosa -que hasta yo he hecho- y que finalmente resulten realizables -después de décadas- es otra.

Francisco R. Villatoro

Javi, tienes razón, “predecir el pasado es casi imposible, no digamos el futuro”, pero hay mucha financiación en fotosíntesis artificial y a mí personalmente me parece un campo muy prometedor. Hace 10 años parecía imposible lo que se está logrando ahora. A este ritmo en dos décadas habrá aplicaciones comerciales.

AntonioAntonio

No creo que este descubrimiento y posteriores avances se materialicen en combustible para coches. De aquí a que esa tecnología esté disponible (estamos hablando de décadas) como para ser rentable se habrá podido avanzar mucho en el tema de las baterías, tanto como para que la autonomía y los tiempos de recarga de un coche eléctrico no sean un problema (o no un problema como entendemos ahora).

¿Crees que puede tener una aplicación real en el campo de la aviación para sustituir al queroseno en el futuro?

KiKi

Eso iba a preguntar yo…

¿Cómo leches se disocia el amoniaco en el coche para que se queme sólo el H?
Otra duda, sin tener ni p*#% idea sobre plasmones (¿son plasmas molones? xDD) con este método y buscando la optimización espectral, no tiene pinta de poder crearse sistemas multicapa, ¿no? Por la creación de los plasmones….

La última y lo dejo…

” Los puntos rojos corresponden al Nb-SrTiO3 sin nanopartículas de Au pero bajo irradiación solar y los puntos negros al Nb-SrTiO3 con nanopartículas de Au sin irradiación.”

No lo entiendo profe… ¿Se produce amoniaco sin iluminar el diodo? ¡En esta casa seguimos las leyes de la termodinámica! xDDD (¿de dónde saldría la energía para el fenómeno?

Por cierto (erratas, creo):
…La luz visible (550 nm) incide sobre fotoelectrodo… <- será sobre EL fotoelectrodo
…hidróxido de potacio (KOH)…. <- será potaSio

Saludos!

DavidDavid

Dudo que el hidrogeno sea el vector del futuro, las baterías eléctricas están teniendo una progresión lenta pero sin pausa y en mi opinión es cuestión de tiempo o ahora ya de precio.

Pero el amoniaco es quizás el eslabón más importante en la producción mundial de alimentos ya que es el precursor de los fertilizantes nitrogenados (urea, nitrato de amonio,…). De la wikipedia “Fertilizer generated from ammonia produced by the Haber process is estimated to be responsible for sustaining one-third of the Earth’s population.[6] “ En la WWI el descubrimiento del proceso de Haber – Bosch jugó un papel muy importante en la obtención de explosivos y en las décadas siguientes transformo la agricultura mundial de la mano de BASF. Pero aun hoy estamos ante un proceso costoso, sin duda se trata de un resultado prometedor y viendo sus antecedentes históricos puede que ante una nueva revolución.

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