Un avance significativo en la producción de amoníaco: nuevo catalizador basado en hierro
El amoníaco (NH3) es un compuesto químico de vital importancia en la actualidad, fundamental para la producción de fertilizantes que aumentan los rendimientos agrícolas y ayudan a sostener una población global en crecimiento. Durante más de un siglo, su producción se ha basado en el proceso Haber-Bosch, que combina nitrógeno (N2) e hidrógeno en presencia de un catalizador.
Curiosamente, un catalizador basado en hierro desarrollado hace un siglo (conocido como «Fe promovido») sigue siendo el líder en la producción masiva de NH3, a pesar de los innumerables intentos por encontrar alternativas más energéticamente eficientes. En el proceso Haber-Bosch, la productividad de NH3 en el reactor depende de la tasa de producción de NH3 no por peso de catalizador, sino por volumen de catalizador. Esta distinción es crucial y, sin embargo, a menudo se pasa por alto en la investigación académica.
Un equipo de investigación del Instituto de Ciencia de Tokio, Japón, ha dado un paso audaz en el diseño de catalizadores. Según su artículo publicado en la revista Advanced Science el 23 de enero de 2025, el profesor Michikazu Hara y sus colegas han transformado los principios de diseño de los catalizadores basados en hierro en una herramienta innovadora, logrando resultados sorprendentes.
Innovación en el diseño de catalizadores
Los catalizadores metálicos soportados utilizados para la producción de NH3 generalmente consisten en partículas de metales de transición depositadas sobre un material de soporte con una gran superficie específica y baja densidad, lo que idealmente aumenta el área activa y mejora la tasa de producción de NH3 por peso de catalizador. Sin embargo, este diseño resulta en una pequeña tasa de producción de NH3 por volumen de catalizador debido a la baja densidad.
Para abordar este problema, el equipo de investigación diseñó y probó catalizadores metálicos con una estructura inversa, es decir, los nuevos catalizadores consistían en grandes partículas de hierro cargadas con un «promotor» apropiado. «En el diseño de catalizador inverso, los sitios altamente activos pueden dispersarse concéntricamente en la superficie del metal desde el centro de un promotor depositado», explica Hara. Sin embargo, no se había verificado anteriormente qué estructura era más efectiva para aumentar la tasa de producción de NH3 por volumen de catalizador.
Después de experimentar con diversas composiciones, el equipo se decidió por un catalizador que combina hidruro de aluminio (AlH) y potasio cargado sobre partículas de hierro relativamente grandes (AlH-K+/Fe). El rendimiento catalítico de este nuevo material fue notable, alcanzando aproximadamente tres veces la tasa de producción de NH3 por volumen del catalizador promovido con hierro.
Además, el nuevo catalizador puede producir NH3 a temperaturas inferiores a 200 °C, donde el Fe promovido no es efectivo. «El nuevo catalizador no solo mostró un rendimiento catalítico mucho mayor que el Fe promovido, que nunca ha sido superado por ningún catalizador desarrollado hasta ahora, sino que también sintetizó NH3 incluso a 50 °C», destaca Hara. Es importante señalar que el catalizador se mostró estable, produciendo NH3 sin disminución de actividad durante 2,000 horas.
A través de estudios mecanicistas, los investigadores investigaron las razones detrás del rendimiento mejorado del catalizador AlH-K+/Fe. Los resultados sugieren que la estructura inversa favorece la donación de electrones en la superficie de las partículas de hierro, aumentando el número de sitios activos por unidad de área. Esto se traduce en una ruptura más eficiente de N2, que es el paso limitante de la tasa de producción.
En conclusión, los resultados de este estudio destacan el potencial de los catalizadores basados en hierro con una estructura inversa para la producción de NH3. Teniendo en cuenta que tales catalizadores pueden fabricarse fácilmente a partir de materiales abundantes en la Tierra, podrían contribuir a una producción industrial de NH3 más eficiente, ayudando así en la lucha contra el cambio climático.
