L’ammoniaca (NH3) è l’elemento di partenza per la produzione di fertilizzanti chimici per le colture agricole. Per oltre un secolo, il mondo si è affidato al processo Haber-Bosch per produrre ammoniaca in grandi quantità, 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. Per rompere i forti legami dell’azoto, il processo Haber-Bosch richiede circa 80-300 atmosfere di pressione e temperature di circa 572-1000 F (300-500 C). Il trattamento a vapore del gas naturale coinvolto nel processo rilascia inoltre ampie quantità di anidride carbonica che altera il clima.
Complessivamente, per soddisfare l’attuale domanda mondiale annuale di 150 milioni di tonnellate di ammoniaca, il processo Haber-Bosch assorbe più del 2% dell’energia globale ed è responsabile di circa l’1% dell’anidride carbonica emessa nell’atmosfera.
Il metodo innovativo presentato dai ricercatori di Stanford, invece, richiede condizioni meno complesse.
“Siamo rimasti scioccati nel vedere che potevamo generare ammoniaca in ambienti, temperatura e pressione di tutti i giorni, con solo aria e acqua e usando qualcosa di semplice come uno spruzzino“, ha detto l’autore dello studio Richard Zare, professore in Scienze Naturali e chimica presso la Stanford School of Humanities and Sciences. “Se questo processo potesse essere scalato, rappresenterebbe un nuovo modo ecologico di produrre ammoniaca, uno dei processi chimici più rilevanti 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. Xiaowei Song, borsista post-dottorato in chimica a Stanford, è l’autore principale dello studio, pubblicato il 10 aprile nei Proceedings of the National Academy of Sciences.
Nuova chimica da uno studio “blue-sky
La nuova chimica scoperta segue le orme del lavoro pionieristico svolto negli ultimi anni dal laboratorio di Zare, che ha esaminato la reattività a lungo trascurata – e sorprendentemente elevata- delle microgocce d’acqua. In uno studio del 2019, Zare e colleghi hanno dimostrato che il perossido di idrogeno caustico si forma spontaneamente nelle microgocce a contatto con le superfici. Da allora gli esperimenti hanno confermato un meccanismo di salto di carica elettrica tra i materiali liquidi e solidi che genera frammenti molecolari, noti come specie reattive dell’ossigeno. Per approfondire queste scoperte, Song e Zare 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. Chanbasha è specializzato in nanomateriali per applicazioni energetiche, petrolchimiche e ambientali ed è andato a Stanford come visiting scholar la scorsa estate. Il team di ricerca ha individuato un catalizzatore – termine con cui si indica una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica ma che non viene a sua volta degradata o modificata dalla reazione – che si sospettava potesse contribuire ad aprire 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 e composta da catene ripetute di due grandi molecole. I ricercatori hanno applicato il catalizzatore a una rete di grafite che Song ha incorporato in uno spruzzatore alimentato a gas. Lo spruzzatore ha emesso microgocce in cui l’acqua pompata (H2O) e l’azoto molecolare compresso (N2) hanno reagito insieme in presenza del catalizzatore. Utilizzando un dispositivo chiamato spettrometro di massa, Song ha analizzato le caratteristiche delle microgocce e ha visto la firma dell’ammoniaca nei dati raccolti.
Sintesi dell’ammoniaca a bassa tecnologia e bassa energia
Zare e colleghi si sono detti molto soddisfatti di questo risultato, soprattutto alla luce dell’approccio relativamente poco tecnologico. “Il nostro metodo non richiede l’applicazione di alcuna tensione elettrica o forma di radiazione”, ha dichiarato Zare. Da un punto di vista chimico più ampio, il metodo è notevole perché utilizza tre fasi della materia: azoto come gas, acqua come liquido e catalizzatore come solido. Sebbene essere promettente, il metodo di produzione dell’ammoniaca rivelato da Zare, Song e Chanbasha per ora è solo in fase dimostrativa. I ricercatori hanno in programma di studiare come concentrare l’ammoniaca prodotta e di valutare come il processo possa essere potenzialmente scalato a livelli commercialmente validi. Mentre il processo Haber-Bosch è efficiente solo quando viene eseguito in grandi impianti, il nuovo metodo di produzione dell’ammoniaca potrebbe essere portatile e realizzato in loco o addirittura su richiesta nelle aziende agricole. Questo, a sua volta, ridurrebbe le emissioni di gas serra legate al trasporto dell’ammoniaca da fabbriche lontane. Con un ulteriore sviluppo, i ricercatori sperano che il loro metodo di generazione dell’ammoniaca possa contribuire a risolvere i due principali problemi che si profilano: continuare a nutrire la crescente popolazione terrestre, composta da miliardi di persone, e mitigare il cambiamento climatico.
