I ricercatori di Stanford trovano un nuovo modo per produrre ammoniaca che non emetta CO2

In un progetto dello Zarelab di Stanford, gli scienziati Richard Zare, Xiaowei Song e Chanbasha Basheer hanno scoperto un nuovo processo chimico ecologico che secondo loro potrebbe trasformare il modo in cui creiamo l'ammoniaca, la base del fertilizzante più comune al mondo. Nel 2022, la produzione globale di ammoniaca è stata di circa 150 milioni di tonnellate.

L'ammoniaca (NH3), un composto inorganico di azoto e idrogeno, funge da elemento costitutivo per creare fertilizzanti chimici per le colture agricole. Circa il 70% dell’ammoniaca viene utilizzato per i fertilizzanti per favorire la crescita delle piante, mentre il restante 30% viene utilizzato principalmente per plastica, esplosivi e fibre sintetiche.

Da oltre 100 anni l'ammoniaca viene creata con il processo Haber-Bosch, che converte l'azoto in ammoniaca per i fertilizzanti. Il processo utilizza circa il 2% dell'energia mondiale e contribuisce all'1,3% delle emissioni globali di anidride carbonica ogni anno, secondo Richard Zare, capo dello Zarelab e Marguerite Blake Wilbur, professoressa di scienze naturali a Stanford.

"È risaputo che il processo Haber-Bosch è uno dei processi industriali più importanti della chimica. Dopotutto è ciò che le persone usano per nutrire il mondo", ha detto Zare. "Alla fine del 1800 la gente pensava che alla fine saremmo tutti morti di fame perché la popolazione cresceva più velocemente di quanto potessimo produrre piante per mangiare. Ciò che ci ha salvato è stato uno straordinario sviluppo di Fritz Haber che ha imparato come prendere l'azoto e trasformarlo in ammoniaca."

Secondo Zare, questo processo è ad alta intensità energetica perché la molecola di azoto è piuttosto inerte, il che significa che non reagisce facilmente con l’idrogeno per formare l’ammoniaca desiderata. Gli atomi di idrogeno devono provenire da una fonte e il processo Haber-Bosch utilizza il vapore (H2O) per convertire il gas naturale (metano, CH4) in H2 e CO, ottenendo gli atomi di idrogeno. Con l’aggiunta di più vapore, la CO viene quindi convertita in anidride carbonica (CO2) e vengono generati più atomi di idrogeno.

Questo processo è quindi un enorme emettitore di gas serra. Zare ha affermato che si stima che il 7% delle emissioni industriali globali di CO2 provenga dalla produzione di ammoniaca.

Nel nuovo processo di Zare, Song e Basheer per creare ammoniaca, la fonte di idrogeno non è il metano ma l'acqua e, come tale, non viene emessa anidride carbonica. Inoltre, il loro processo non comporta alcuna tensione applicata, nessuna irradiazione da parte di una sorgente luminosa e viene condotto a temperatura ambiente e pressione atmosferica.

La loro scoperta si basa su una recente ricerca dello Zarelab che esamina l’elevata reattività delle microgocce d’acqua. L’acqua sfusa tende ad essere benigna e inerte, ma le gocce d’acqua sono altamente reattive. Secondo Song, queste microgocce possono essere pensate come la nebbia proveniente da un umidificatore. "Queste sono proprietà minuscole", ha detto.

Zare ha affermato che il laboratorio ha scoperto che le microgocce d’acqua producono una forte reazione chimica quando colpiscono superfici dure. Per produrre ammoniaca, il team di scienziati rompe i legami dell’azoto spostando microgocce d’acqua, gas di azoto e ossido di ferro attraverso uno spruzzatore alimentato a gas. Il processo si basa sulla capacità delle microgocce d'acqua di reagire su superfici dure.

L'ossido di ferro funge da catalizzatore per la reazione, accelerando la reazione senza essere modificato dalla reazione. I ricercatori hanno inserito il catalizzatore in una rete di grafite per lo spruzzatore. Lo spruzzatore rilascia quindi microgocce, dove l'acqua pompata e l'azoto reagiscono con l'aiuto del catalizzatore per formare ammoniaca (NH3).

Quando il team ha scoperto di poter creare ammoniaca senza CO2, secondo Song era entusiasta, ma cauto.

"Dovevamo essere tortuosi per stabilire se quello era il risultato atteso e dovevamo avere molti controlli", ha detto Song.

"Affinché questo sia un grosso problema, è necessario che venga ampliato e dimostrato che tutti i passaggi coinvolti abbiano un buon senso economico", ha affermato Zare. "Non abbiamo ancora risolto il problema: stiamo parlando ancora di piccole goccioline."

Zare ha affermato che il prossimo passo per ridimensionare questo progetto sarà la collaborazione con gli ingegneri. Ha detto che la tempistica per avere l’ammoniaca su larga scala dovrebbe richiedere meno di cinque anni, ma ci vorrà almeno un anno. Ha aggiunto che il processo Haber-Bosch ha richiesto cinque anni per essere completato.