Los investigadores han logrado avances significativos en el desarrollo de catalizadores para la reacción electroquímica de reducción de nitrato (eNO3RR) al amoníaco, un proceso que tiene amplias implicaciones para aplicaciones de energía sostenible, agrícolas e industriales.
El amoníaco, un ingrediente importante en la producción mundial de alimentos, también es prometedor como combustible sin emisiones de carbono debido a su alta densidad energética, productos de combustión limpia e infraestructura establecida para almacenamiento y transporte. Sin embargo, el método actual de producción de amoníaco, el proceso Haber-Bosch, consume mucha energía y representa alrededor del 1,8% del CO global.2 emisiones
En su último estudio, el equipo de investigación se centró en el óxido de espinela y cobalto (Co3Y4), una clase prometedora de catalizadores para eNO3RR por su bajo coste, alta actividad y selectividad. El grupo sintetizó varias empresas3Y4 nanoestructuras con diferentes direcciones cristalográficas ({100}, {111}, {110} y {112}) para investigar cómo estas direcciones afectan el rendimiento del catalizador en la producción de amoníaco. La encuesta reveló que el aspecto {111} de Co3Y4 demostró un rendimiento superior logrando una impresionante eficiencia faradaica de amoníaco del 99,1% y una tasa de rendimiento de 35,2 mg h-¹ cm-².
“Nuestros hallazgos muestran que el lado {111} de la empresa3Y4 eficaz para convertir nitrato en amoníaco”, afirmó el Dr. Heng Liu, coautor del artículo y profesor asistente especialmente designado en el Instituto Avanzado de Investigación de Materiales (WPI-AIMR) de la Universidad de Tohoku. “Esto provoca la rápida formación de oxígeno vacantes y Co(OH).2 en esta dirección, lo que aumenta significativamente el rendimiento del catalizador”.
Además, los investigadores descubrieron que el catalizador sufrió un proceso de transformación durante la reacción, evolucionando de Co3Y4 En una estructura con vacantes de oxígeno, luego en una empresa.3Y4−x-Ov/Co(OH)2 híbrido, y finalmente estabilizado como Co(OH).2. Este proceso fue más pronunciado en la dirección {111}, lo que contribuyó a su rendimiento superior.
“Los cambios estructurales que observamos son importantes para comprender la actividad del catalizador”, añadió el profesor Hao Li, autor correspondiente del artículo y profesor asociado en WPI-AIMR. “Estos conocimientos nos ayudarán a diseñar catalizadores más eficientes optimizando los aspectos que se desarrollan”.
La importancia del amoníaco se extiende más allá de la agricultura, ya que es un combustible potencial sin emisiones de carbono y un actor clave en las tecnologías de conversión y almacenamiento de energía. eNO3RR ofrece una alternativa sostenible al proceso Haber-Bosch al convertir los desechos de nitrato en amoníaco valioso y al mismo tiempo respaldar la remediación ambiental.
“Esta investigación sienta una base sólida para el desarrollo de catalizadores más eficientes y sostenibles”, afirmó Lee. “A medida que avanzamos, nuestro objetivo es controlar las etapas finales de la transformación del catalizador para mejorar aún más su actividad, selectividad y estabilidad”.
Estos avances en la comprensión y optimización de la co3Y4 Los catalizadores pueden allanar el camino para procesos industriales más limpios y sostenibles, contribuyendo a los esfuerzos globales para lograr la neutralidad de carbono para la década de 2050.