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Fotocatálisis plasmónica para obtener amoníaco sin usar gas natural
Redactado por M. Martínez Euklidiadas
Localizar alternativas sostenibles y de bajo impacto a los actuales procesos industriales de síntesis de materiales es un imperativo actual. En una reciente publicación titulada ‘Desafíos y oportunidades para la producción de amoníaco renovable a través de la fotocatálisis asistida por plasmones’—financiado mediante fondos FEDER— un equipo de investigadoras de CINBIO persigue impulsar técnicas más sostenibles.
La forma actual de obtener NH3 no es sostenible
El amoníaco es un compuesto muy demandado en la industria y muy usado para la producción de fertilizantes sintéticos, por lo que es una molécula crítica en la agricultura moderna y en la forma en que se alimenta la población mundial.
En la actualidad, la mayor parte se produce a través de un proceso conocido como Haber-Bosch (abajo proceso) que, además de ser muy costoso a nivel energético, emite una cantidad considerable de CO₂ a la atmósfera. Además, el proceso requiere hidrógeno, que se sintetiza mediante gas natural.
Es necesario buscar alternativas viables técnica y económicamente que, además, tengan un impacto menor al de este proceso.
Así funciona un fotocatalizador
Aunque se trata de una metáfora, las investigadoras cuentan cómo se puede imaginar un fotocatalizador ideal “como un embudo con una entrada ancha y unas salidas muy estrechas que podemos dirigir con gran precisión”. Cuanto más capacidad tenga la nanopartícula para absorber luz, más ancha se puede dibujar la entrada de este embudo imaginario que representa el fotocatalizador.
Siguiendo con la metáfora, “los fotocatalizadores que se comportan como ‘embudos’ tienen tres problemas importantes”:
- Su superficie de captación no absorbe toda la energía solar que incide sobre ella.
- Tienen pérdidas de energía importantes en el proceso.
- La salida no está perfectamente adaptada a la reacción que se busca, por lo que se dan reacciones no deseadas.
La eficiencia global del fotocatalizador se verá mejorada si se mejora cada uno de estos factores. Por contra, aún existen algunas limitaciones en la tecnología fotocatalítica de síntesis de amoníaco (nitrogen reduction reaction, NRR).
Baja eficiencia en el empleo de la energía solar
Es una dimensión en la que “se ven avances constantes”, pero se trata de un reto. Eso sí, con muchas oportunidades. Una de las ventajas de la fotocatálisis eficiente es que “no necesitaría estar centralizada” en grandes fábricas, y “no requeriría de las economías de escala que hacen viables las plantas de síntesis de amoníaco convencionales”.
Además, prescinde de buena parte de la infraestructura auxiliar, y del gas natural. Al igual que ocurre con las placas fotovoltaicas en los tejados, los investigadores sostienen que “si somos colectivamente capaces de crear fotocatalizadores eficientes, sería viable crear reactores relativamente autónomos”.
Reacciones no deseadas en la fotocatálisis
La reducción de nitrógeno en un medio acuoso, que es el objetivo de la mayor parte de los sistemas de NRR estudiados, compite con la síntesis de hidrógeno gas a través de la descomposición del agua. Es decir, en lugar de unirse al nitrógeno (arriba), el hidrógeno del agua forma hidrógeno molecular (H2, abajo). Es aquí donde entran los catalizadores plasmónicos.
Reacción deseada:
6 H2O + 2 N2 → 4 NH3 + 3 O2
Reacción parásita:
2 H2O → 2 N2 + O2
“Los materiales plasmónicos son moderadamente prometedores en este aspecto”, puntualizan las investigadoras, dado que permiten el diseño de “fotocatalizadores selectivos que consigan favorecer la síntesis de amoníaco por encima de la de hidrógeno”.
En la síntesis del nitrógeno, la ventaja de los plasmones —excitaciones colectivas de electrones en nanoestructuras conductoras— es que concentran de forma eficaz la energía lumínica, “dirigiéndola para realizar reacciones de oxidación/reducción”.
Partículas plasmónicas con semiconductores
“Uno de los ejemplos más sencillos en el campo de la fotocatálisis”, continúan las investigadoras, “es la combinación de partículas plasmónicas con semiconductores”. Es lo que se conoce como fotocatalizadores de heterounión, o heterojunction photocatalysts en inglés.
Mientras que las partículas plasmónicas aumentan la captación de fotones y la eficiencia del fotocatalizador, los semiconductores se aseguran de que la salida esté alineada con la reacción que se busca. Combinados, estos dos sistemas aumentan la eficiencia global del sistema.
¿Cuál será el futuro de la síntesis del amoníaco?
Es obvio, por su impacto ambiental, que es necesario buscar una alternativa económicamente viable a la síntesis del amoníaco. En este punto, las investigadoras apuntan a dos grandes líneas de investigación:
- Emplear nuevos materiales. “Un nuevo material nanoestructurado que ofrezca una gran selectividad en la reacción”, dicen las investigadoras, supondría un gran avance en la eficiencia de estos sistemas, y es deseable que pronto se vean avances en este sentido.
- Optimizar la interacción entre distintos componentes en sistemas híbridos. El potencial de mejora en sistemas híbridos ofrece oportunidades más asequibles hacia las que es posible progresar sistemáticamente y que tienen un enorme potencial. Por ejemplo, la optimización de distintos mecanismos de intercambio de energía entre materiales plasmónicos y semiconductores.
También es relevante dar un paso atrás y tomar perspectiva. La síntesis fotocatalítica del amoníaco es un proceso relativamente nuevo, y “es importante desarrollar y estandarizar técnicas de caracterización y estudio de estos sistemas” para poder realizar comparaciones efectivas entre ellos, lo que “llevaría a una aceleración de la producción científica”.
El artículo publicado persigue la “revisión de estrategias prometedoras” sin perder de vista sus obstáculos, discutiendo las diferentes vías para esquivarlos, además de ser un recurso para “resumir puntos clave en la síntesis de amoníaco mediante fotocatálisis plasmónica” y ofrecer un punto de entrada a futuros lectores.
Imágenes | Sven
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Begoña Puértolas, Miguel Comesaña-Hermo, Lucas V. Besteiro, Margarita Vázquez-González, Miguel A. Correa-Duarte. Challenges and Opportunities for Renewable Ammonia Production via Plasmon-Assisted Photocatalysis. 28 March 2022 https://doi.org/10.1002/aenm.202103909