La síntesis de amoníaco está siendo insostenible para el medio ambiente. En este estudio se presenta una nueva estrategia con un proceso electroquímico de ciclos de litio que proporciona una vía sostenible para la síntesis de amoníaco a través de la capacidad de acoplarla directamente a fuentes renovables de electricidad.
Presentación
“Síntesis de amoníaco a partir de N2 y H2O usando una estrategia de electrificación de ciclos de litio a presión atmosférica” es un artículo científico elaborado por McEnaney, J.M., Singh, A.R., Schwalbe, J.A., Kibsgaard, J., Lin, J.C, Cargnello, M., Jaramillo, T.F., y Norskov, J.K., publicado en la revista Energy & Environment, el 27 de Junio de 2017.
La síntesis de amoníaco es imprescindible para proporcionar alimento a una creciente población mundial con la fabricación de fertilizantes. Sin embargo, el método primario de producción de amoniaco sintético, el proceso de Haber Bosch, es un recurso exigente e insostenible, ya que requiere una infraestructura de alta presión, centralización con distribución y combustibles fósiles con altas emisiones de CO2. Sería deseable, por tanto, desarrollar un proceso alternativo y sostenible capaz de emplear recursos renovables en lugar de combustibles fósiles, para producir fertilizante localmente donde se usa.
Con este fin, se ha intentado imitar el proceso enzimático con complejos moleculares, logrando una alta selectividad bajo condiciones fuertemente reductoras; sin embargo la estabilidad de estos catalizadores es todavía un desafío y sigue siendo un reto proporcionar protones y electrones a un potencial químico suficientemente alto para reducir el nitrógeno sin producir cantidades sustanciales de H2, por ello, muchas rutas fotoquímicas y electroquímicas de N2 y H2O se han explorado.
Aquí se presenta una nueva estrategia de producción de amoníaco, ejemplificada en un proceso electroquímico de ciclo de litio, que proporciona una vía para la síntesis de amoníaco sostenible gracias a la capacidad de acoplarla directamente a fuentes renovables de electricidad, pudiendo facilitar la producción localizada.
El proceso demostrado es la combinación única de electrólisis de LiOH, nitruración de Li e hidrólisis de Li3N, realizada en un ciclo escalonado para eludir la reacción de evolución del hidrógeno (HER). La aplicación de esta estrategia para eludir el HER representa un enfoque completamente nuevo para la síntesis de amoníaco electroquímico de base acuosa que está tradicionalmente dominada por el HER, y este enfoque, puede aplicarse a una gran variedad de sistemas. El desarrollo de estrategias de electrificación y descentralización como ésta, es importante para lograr el objetivo a largo plazo de la sostenibilidad del proceso. En este trabajo, se expone una estrategia alternativa, que física y temporalmente, separa la reducción de N2 de la protonación posterior a amoníaco, evadiendo así el HER.
Esencialmente, el voltaje se aplica para producir una superficie altamente reactiva en un ambiente libre de protones. Esta superficie se expone entonces al nitrógeno, activándola para producir una fase de nitruro. Entonces se libera el voltaje y se añaden protones para producir amoníaco. Se realizó este concepto experimentalmente en un ciclo completo de reacción electrolítica y química utilizando litio metal como especie reactiva. El litio fue elegido por su bien entendida electroquímica y capacidad para activar el nitrógeno en condiciones ambientales. El ciclo demostrado comprende la combinación única de electrólisis de LiOH, nitruración de Li e hidrólisis de Li3N para la síntesis de amoníaco.
Cada paso en el proceso global produjo avances científicos significativos como la electrólisis LiOH que fue diseñada para realizarse con alta eficiencia, se ofrece la primera comprensión fundamental de por qué la nitruración de Li es fácil y ampliamente aplicable a la capacidad de un metal para activar N2, y se ha desarrollado una cuantificación sucinta y la estrategia de verificación para probar que el N2 es la fuente para formar NH3. Además, se presenta un rendimiento del 88,5% para la síntesis de amoníaco a través de este proceso.
Métodos
Electrólisis de LiOH
Las reacciones se realizaron en una celda electroquímica hecha de óxido de aluminio químicamente resistente que estaba envuelta en cinta calentadora aislada de alta temperatura o manta calefactora con un termopar para mantener la temperatura. La célula se equipó con una barrera de difusión cilíndrica de alúmina porosa para aislar eficazmente reactivos de productos anódicos y catódicos y prevenir reacciones secundarias indeseables.
Típicamente, se utilizó un cátodo de acero y un ánodo de varilla de grafito para reacciones de electrólisis, aunque también podrían usarse otros materiales (Ni, W, Ti, Pt). Se apreció que los materiales de níquel pueden no ser adecuados para ciclos a largo plazo, ya que se observó cierta corrosión bajo condiciones de trabajo en el hidróxido fundido. Todas las reacciones se mantuvieron entre 400-450°C.
El producto de Li fundido se recogió en un crisol cilíndrico de alúmina sólida, rodeando el electrodo de trabajo de acero, con un agujero de 2mm perforado en el fondo de la pared lateral para permitir el flujo de sal fundida y la conductividad. Antes de la prueba electroquímica, se aplicó una retención de 30 segundos con un voltaje de celda total de -2V para purgar el sistema de H2O residual.
Para los estudios de voltamperometría cíclica, se utilizó un electrodo de trabajo de acero y un electrodo de referencia de Pt y se aplicó tensión entre -0,9 V a 1,7 V frente al punto de referencia cero Li / Li +. Se utilizó Pt como ánodo, también medido como un electrodo de trabajo, con un voltaje aplicado entre 1,6 V y 3,9 V frente a Li / Li +. Para la electrólisis de Li, se aplicó una corriente constante (0.2-2.0 A), aproximándose a la de los electrolizadores industriales, con potencial registrado en el tiempo.
A medida que el Li fundido se enfría en el electrodo de acero, las sales segregadas también cristalizan haciendo que el rendimiento en masa directa sea difícil. En cambio, el producto de Li se liberó de forma controlable bajo agua y se generó gas hidrógeno que se recogió mediante desplazamiento de gas controlado. Hay que indicar que el litio reacciona violentamente con el agua y hay que tomar las medidas de seguridad apropiadas.
Utilizando el Li metal como controles y la ley de gas ideal, se calculó el rendimiento de Li dando la eficiencia para cada reacción. La cantidad de Li fundido formado bajo estas condiciones permaneció unida al electrodo de acero después de la electrólisis, mientras que el exceso de Li a partir de reacciones de electrólisis más largas forma distintas piscinas de Li fundidas flotantes por encima de la sal fundida.
Síntesis de Li3N a partir de Li y N2
El Li se produjo en exceso a partir de la electrólisis de LiOH y se recogió del pequeño crisol que contenía el electrodo de trabajo de acero y la mezcla de sales fundidas. La masa fundida se transfirió a un crisol de acero y se dejó enfriar. El Li se llevó por encima de su temperatura de fusión (180ºC) para aislarlo de las impurezas salinas fundidas y el producto líquido se decantó en un segundo crisol de acero. El Li sólido y enfriado se cortó y se prensó en gránulos de 1mm aprox. de espesor. Se midió la masa de estos gránulos de Li (aproximadamente 0,1 g cada uno) y se transfirieron un horno de tubo purgado N2.
El Li estuvo muy poco tiempo (15s) expuesto al aire. Se cree que una ligera presencia de O2 y /o H2O mejora la captación de nitrógeno por el metal Li, de acuerdo con los informes de la literatura, mientras que el N2 muy puro reaccionará más lentamente con Li, si es a temperatura ambiente. Después, el Li se calientó a 22-100°C en la atmósfera de N2 durante 0,5 – 12 h. Este procedimiento fue idéntico para los estudios de control. Bajo estas condiciones, se estima un rango de tasas de 1-3% de Li convertido por minuto, dependiendo de la temperatura aplicada, lo cual puede mejorarse adicionalmente con películas más delgadas, una temperatura más alta o una presión de N2 mayor para una aplicación a gran escala. También se observó que en un dispositivo de operación continua, la separación y prensado del Li podría ser significativamente simplificado o innecesario.
Síntesis de amoníaco a partir de Li3N y H2O
Los sedimentos de Li3N se retiraron del horno de tubo de atmósfera de N2 y se pusieron en viales de centelleo que contenían 10ml de H2O desionizada purificada Millipore. Aquí se debe usar más H2O con un recipiente de espacio de cabeza mayor, ya que el Li reacciona violentamente con H2O, mientras que Li3N con H2O resulta en una rápida pero no violenta reacción, produciendo amoníaco soluble en agua.
Detección de amoníaco y cuantificación
El amoníaco se detectó a través de dos métodos espectroscópicos: espectroscopía de luz ultravioleta visible (UV-Vis) colorimétrica y espectroscopía de radiación infrarroja transformada de Fourier (FTIR). Además, se acopló un método de indicador colorimétrico con la espectroscopía UV-Vis para la cuantificación precisa de una curva de calibración estándar de amoníaco. La combinación de las moléculas de color amarillo y azul aparece verde, observado como un matiz escalable de amarillo a azul con el aumento de la concentración de amoníaco.
Las muestras se diluyeron cuidadosamente para obtener rendimientos precisos de amoníaco a partir de la reacción de Li3N. Como el Li3N sintetizado contenía impurezas, se calcularon los rendimientos de amoníaco basándose en el rendimiento teórico de la masa de Li utilizada. La detección de FTIR proporciona una señal clara y específica para la verificación de la síntesis de NH3. Para obtener los espectros de mayor calidad, se utilizó FTIR en fase gaseosa, en lugar de fase líquida.
Para lograr esto, una pequeña (200μl) muestra de una solución de NH3 sintetizada se vaporizó completamente en una celda de gas de 2m, montada en un espectrómetro Nicolet usando un volatilizador construido en casa. Para minimizar el amoníaco perdido en el aparato, todas las superficies se calentaron a por lo menos 120°C y se minimizó el área superficial total.
Recuperación de LiOH y finalización del ciclo
La reacción entre Li3N y H2O reproduce LiOH, completando el ciclo. El LiOH se secó y se volvió a introducir para continuar el ciclo con la producción de Li metal. Para probar la eficiencia inicial del ciclo de Li, se determinó el rendimiento de LiOH convirtiendo una cantidad conocida de Li en Li3N y luego en LiOH en agua, y evaporando el agua en un barco dentro de un horno tubular de atmósfera N2 a 120ºC durante 3h. El polvo de LiOH se caracterizó entonces por XRD y se tomó su masa para comparar frente al rendimiento teórico de la masa de Li.
Consideraciones tecno-económicas preliminares y cálculos de electricidad
Muchos factores, incluyendo el diseño, la escala y la velocidad de producción, afectarán a los costos, por lo que se necesitará un estudio más profundo para dar una visión completa. Sin embargo, suponiendo que la electricidad de la electrólisis es el gasto primario, se puede ver en la siguiente Figura que describe el costo de la electricidad para la síntesis de amoníaco a través de este método con respecto a los datos recientes del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos sobre el amoníaco, como un proceso eficiente impulsado a potenciales celulares esperados cercanos a 4V considera el costo en $0.071 por kWh del promedio industrial del costo de la electricidad, $0.02 por kWh el costo nivelado de la hidroeléctrica barata, y $0.01 por kWh el costo de electricidad en una visión optimista de la sobreproducción intermitente, electricidad de baja demanda o un posible costo regional a largo plazo de la electricidad renovable si las tendencias continúan, lo que indica en general que es más barato que el promedio.
Se espera que el costo de mantener las temperaturas de reacción de sal fundida sea comparativamente bajo, como lo demuestran los avances en tecnologías de almacenamiento de energía de sal fundida con eficiencias de mantenimiento a altas temperaturas, así como por calentamiento intrínseco a partir de resistencia electroquímica.
Para los cálculos de costos de electricidad para producir una tonelada métrica de NH3, se calculó el número efectivo de gramos de Li a ser ciclado que corresponde a un número de Coulombs de electricidad requerida a través de las leyes de Faraday de la electrólisis. Entonces, considerando los posibles potenciales aplicados, se podrían determinar los Joules de energía requeridos y, por tanto, kilovatios-hora (kWh). Factorizando la eficiencia de la electrólisis y el costo de la electricidad por kWh, el potencial aplicado podría correlacionarse con un costo de electricidad determinado para la producción de una tonelada métrica de amoníaco. Si Li se produce con una eficiencia de corriente del 100%, se puede determinar también un coste energético mínimo (informado como kWh por kg de NH3) utilizando un voltaje mínimo de 3V a 450°C.
Estequiométricamente, 1,22 toneladas métricas de Li necesitan ser recicladas para producir 1 tonelada métrica de NH3. Una finca promedio en los Estados Unidos es de 434 acres, requiriendo aproximadamente 0,077 toneladas métricas de amoníaco por acre anualmente, basado en el peso de nitrógeno en el fertilizante aplicado, o 33,47 toneladas métricas de NH3 por granja. Por lo tanto, aproximadamente 41 toneladas métricas de Li deben ser reciclados para cumplir con el requisito de amoníaco anual de las granjas, sobre la base de esta estimación.
Por tanto, si un dispositivo utiliza 1kg de Li, el dispositivo necesitará hacer un ciclo 41000 veces al año, por 10kg de Li, 4100 ciclos por año, por 100 kg de Li, 410 ciclos por año, etc. Hay que indicar que mientras que el Li metal puro es algo costoso y poco práctico de transportar, el LiOH se puede comprar para este proceso a bajo costo, actualmente sólo $20-30 por kg de LiOH, (10kg de Li metal equivale a 34,5kg de LiOH), lo que representa una pequeña inversión inicial de Li para el ciclo.
La finca promedio requeriría 28 toneladas métricas de N2 basado en los cálculos anteriores para producir su requisito anual de NH3. Como ejemplo, una unidad de absorción de oscilación de presión comercial Nitroswing (NS-10) puede producir hasta 13,9kg h-1 N2, con una pureza de 99,99%, requiriendo 1584h para alcanzar el requisito N2 anual, funcionando a 7,5 bar con un consumo máximo de energía de 0,3kW, lo que equivale a una necesidad de energía de sólo 0,02kWh por kg de NH3 hacia la etapa de purificación de la alimentación de nitrógeno en este ejemplo. Cabe indicar que los requisitos de menor pureza pueden lograr mayores índices de producción de nutriente.
Resultados y Discusión
El proceso cíclico del Li se esboza conceptualmente en la figura 1. A diferencia de las técnicas tradicionales de catálisis térmica o de bucle termoquímico, este proceso puede realizarse a presión ambiente, temperatura moderada y no requiere H2. Puede ser alimentado de manera sostenible utilizando recursos solares o eólicos para proporcionar la energía eléctrica necesaria. La siguiente figura muestra los tres pasos de dicho proceso: 1 electrólisis de LiOH, 2 Reacción directa de Li metálico con N2 para formar Li3N, y 3 Liberación de NH3 por reacción con H2O.
Los principios fundamentales que rigen este proceso se ilustran en el diagrama de fases de Li-N-O-H que se muestra en la figura 2, en la que se describen los tres pasos del ciclo propuesto, superpuestos a un diagrama de fases de las especies de superficie sólida de litio relevantes. Es importante destacar que este diagrama de fase se crea bajo un conjunto específico de condiciones: a una temperatura de 300K, un pH de 0, una concentración de ion Li + de 10-6 M y todas las presiones de referencia de 1 bar.
Todas estas condiciones son variables que pueden ser ajustadas libremente paso a paso para obtener el mejor rendimiento experimental posible, pero debido a que las diferencias de energía en el diagrama son sustanciales (en su mayor parte superiores a 1 eV), la imagen física sigue siendo en gran medida la misma en un amplio rango de espacio de parámetros.
El procedimiento escalonado proporciona la ventaja de evitar problemas de selectividad que pueden identificarse en el diagrama de fases. Las características que se estudiaron son las siguientes: primero, en el Paso 1, se empieza con iones de litio sin protones ni nitrógeno. Bajo las condiciones teóricas acuosas mostradas, los iones Li + se pueden reducir a Li metal a potenciales más negativos que -3,3 V frente al electrodo estándar de hidrógeno (SHE). El LiH y otras fases que contienen hidrógeno se muestran como sumideros termodinámicos en este sistema, sin embargo, cuando el Paso 1 continúa en ausencia de protones, tanto la evolución del hidrógeno como la formación de estas fases se mitigan.
A continuación, se muestra que el nitruro de litio es más estable que el litio bajo todos los potenciales dados a 1 bar de presión de gas nitrógeno, característica analizada en el Paso 2, en el que se añade nitrógeno al litio en un entorno aprótico para formar el nitruro. Finalmente, los protones se introducen en el nitruro de litio a 0V frente a SHE en el Paso 3. A este potencial, el nitruro de litio rápida y espontáneamente se rompe a los iones de amonio y litio, completando así el ciclo.
En el estudio se ha demostrado experimentalmente el propuesto proceso de ciclismo electro-termoquímico. En primer lugar, el LiOH se reduce electrolíticamente a Li. Se optó por ilustrar la electrólisis en una mezcla de sal fundida controlada con LiCl-KCl / LiOH-LiCl. Aunque la electrólisis de la sal fundida puede permitir en general un aislamiento eficaz del producto de metal Li sin reaccionar, la electrólisis de LiOH fundida de forma eficiente es difícil y rara en la bibliografía debido a las condiciones limitantes del material, al usar una base sólida fundida y debido a posibles reacciones secundarias e inversas. En la célula de electrólisis la masa fundida se mantuvo a 450°C para asegurar que se mantuviera una fase líquida continua durante todo el proceso de electrólisis, aunque son posibles temperaturas más bajas en un sistema refinado o con mezclas de sal de punto de fusión más bajo.
El comportamiento electroquímico general de esta célula se evaluó usando voltamperometría cíclica, ensayando el cátodo y el ánodo individualmente como electrodos de trabajo entre -0,9V y 3,9V frente a Li / Li +, como se muestra en la Figura 3B. Estos experimentos indicaron un potencial de células mínimo total de 3,0V para la electrólisis de LiOH a 450°C. Esto es comparable al potencial teórico requerido de 2,8V a 700K (427°C), basado en una estimación de la energía de Gibbs referenciada a partir de tablas termoquímicas. La eficiencia de la corriente para la producción de litio a partir de la electrólisis de LiOH se evaluó sintetizando litio usando 200°C de carga a partir de corrientes aplicadas específicas como se muestra en la Figura 3C. La eficiencia de corriente media para el producto de Li en los tres experimentos distintos fue del 88,5% (S.D. = 0,8%).
Para la conversión química de Li a Li3N (Paso 2), las muestras de Li sintetizadas electrolíticamente se expusieron a una atmósfera de N2 fluyente y se mantuvieron a temperaturas entre 22 y 100ºC. Se probó la eficiencia de conversión de Li a NH3 añadiendo Li3N a H2O, que hidrolizó rápidamente el nitruro para dar amoníaco (Paso 3). Como se indica en la figura 3D, los índices de conversión iniciales a Li3N pueden incrementarse aumentando la temperatura. El flujo nocturno (12h) dio como resultado una conversión casi completa al nitruro, independientemente de la temperatura aplicada (22, 50 y 100°C), tal y como se indica por las eficiencias de conversión de aproximadamente 100% a NH3 en la figura 3D. Además, el diagrama de difracción de rayos X (XRD) en la figura 3E muestra que el Li se convirtió con éxito a Li3N.
También aparecen cantidades de LiOH y Li2O en el difractograma, que surgen durante la transferencia de Li de la célula electroquímica al horno de tubo N2, donde la muestra se expone a O2 y H2O desde el aire ambiental. Esto es consistente con los hallazgos de informes anteriores, que también indican que se puede esperar un aumento de las tasas de nitruración como resultado de la exposición a H2O y O2. Para completar el ciclo de Li, la recuperación de LiOH se evaluó evaporando H2O y NH3 a 120ºC. Se aisló y recuperó LiOH anhidro, como se muestra por los datos XRD en la Figura 3E, con un rendimiento del 98% frente a la cantidad inicial de Li usada en el Paso 2. Finalmente, al agregar LiOH periódicamente de nuevo a la célula, se establece el concepto de ciclo de este proceso completo de síntesis de amoníaco.
Con el fin de detectar y cuantificar de forma fiable el amoníaco, se emplearon dos métodos complementarios: una versión modificada de la prueba colorimétrica de indofenol y la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). En muchos informes de síntesis de amoníaco se ha utilizado el ensayo de indofenol (reacción de Berthelot), su análogo de salicilato y el reactivo de Nessler. Aunque el amoníaco puede cuantificarse fácilmente a niveles de sub-ppm con espectroscopía UV-Vis, tales pruebas colorimétricas son susceptibles a interferencias y falsos positivos de otras fuentes de nitrógeno reducido, tales como cloraminas encontradas en el agua del grifo, contaminantes en Nafion y otras membranas y aminas encontradas en epóxidos. Esta técnica fue por lo tanto complementada por espectroscopía FTIR, que ofrece una señal de amoníaco más específica para la verificación y la realización de estudios isotópicamente marcados. Ambas técnicas se calibraron con soluciones madre de hidróxido de amonio y se optimizaron para lograr consistencia y sensibilidad.
Para examinar si el amoníaco detectado proviene de la entrada de N2 gaseosa o de una fuente inesperada de nitrógeno adventicia, se realizaron estudios isotópicamente marcados. El procedimiento de síntesis de amoníaco fue idéntico al utilizado en otros experimentos, excepto que se usó 15N2 en lugar del isótopo natural dominante 14N2. Mediante FTIR, se ha identificado inequívocamente la presencia de amoniaco marcado (15NH3) en comparación con el del isótopo natural (14NH3). Como se muestra en la Figura anterior 3F, el espectro de FTIR de amoníaco producido en el experimento, coincide con los picos de 15NH3 del estándar de amoníaco marcado 15N. Estos espectros también están en buen acuerdo con las predicciones del oscilador armónico cuántico y la base de datos HITRAN. Dada la abundancia natural extremadamente baja de 15N, los experimentos de etiquetado demuestran que el amoníaco producido en el proceso de ciclismo proviene efectivamente de la entrada de N2 gaseosa y no de contaminación directa o indirecta.
La estrategia de síntesis de amoníaco esbozada y demostrada en este trabajo ofrece una serie de ventajas particulares sobre la síntesis convencional de amoniaco de Haber Bosch: operación a presión ambiental, uso de agua en lugar de H2 y posibilidad de acoplamiento directo a fuentes renovables de electricidad, como eólica o solar, lo cual promueve la facilidad para la producción local, in situ. Estos atributos lo convierten en un proceso complementario a Haber Bosch con potenciales aplicaciones a corto plazo en nuevos sectores y mercados.
La producción descentralizada de fertilizantes de amoníaco podría ser beneficiosa de varias maneras: los costos de distribución serían sustancialmente reducidos y las eficiencias de utilización de nitrógeno podrían mejorarse significativamente (actualmente aproximadamente el 50% están basadas en la captación del cultivo) permitiendo una aplicación continua, posiblemente acoplada a los sistemas de riego durante el crecimiento de los cultivos en lugar de la aplicación a granel con escorrentía inútil.
Además, la producción in situ es la mejor manera de obtener estos beneficios. Los tanques almacenados de anhidro de amoníaco de la producción convencional también podrían ser utilizados para integrarse con la agricultura de precisión, sin embargo, almacenar anhidro de amoníaco concentrado en el punto de uso tendría obstáculos regulatorios, costos de distribución y preocupaciones de seguridad como desventajas. Además de aumentar la eficiencia en la agricultura moderna, la agricultura en el mundo en desarrollo podría facilitarse en gran medida, sobre todo en los lugares donde hay una infraestructura mínima para la distribución de fertilizantes centralizados.
Es importante destacar que la capacidad de utilizar H2O en vez de H2 como fuente de hidrógeno también podría desacoplar fácilmente la producción de amoníaco de los recursos fósiles, lo que no sólo reduciría la susceptibilidad a fluctuaciones regionales y temporales en costo y suministro, sino que también tendría un impacto en las emisiones de CO2, ya que actualmente la producción de amoníaco representa aprox. el 1% de todas las emisiones mundiales de CO2. Otro método para mitigar el CO2 es usar la electrólisis del agua para hacer H2, la cual es una estrategia prometedora que se está explorando actualmente. El hidrógeno se utiliza entonces como alimento reactivo para la síntesis convencional de NH3, sin embargo, aquí todavía es necesario explorar nuevas estrategias.
Además, mientras que en el proceso de Haber Bosch surgen los costes dominantes de la producción de H2 a partir de combustibles fósiles y de la reacción de alta presión que requieren altos gastos de capital y operativos, para el proceso electroquímico descrito en este trabajo se espera que los costes dominantes involucren la electricidad requerida para reducir Li + a Li. Aunque se trata de una demostración a escala de laboratorio, otros factores como la separación de aire para adquirir N2, separaciones de productos y voltajes más altos, pueden afectar al costo total de energía.
El costo mínimo de energía del proceso de la electrólisis de LiOH a 3V asciende a aprox. 14 kWh por kg de NH3, este es un resultado muy favorable, ya que el coste medio de energía convencional del proceso convencional es de 10 kWh por kg de NH3, y las plantas de síntesis de amoníaco con carbón en China requieren un promedio de 15 kWh por kg, lo que indica que este proceso es potencialmente sostenible y descentralizado.
Por lo tanto, un proceso eficiente realizado a potenciales celulares esperados cerca de 4V como se demuestra en este trabajo, es prometedor para la síntesis de amoníaco complementaria impulsada por la sostenibilidad potencial del proceso, bajo costo de electricidad renovable, subsidios para disminuir las emisiones de CO2 para el menor fertilizante de amoníaco requerido, producción localizada con infraestructura de bajo costo, o alguna combinación de estas posibles ventajas.
Cabe destacar que los costos al por mayor de la electricidad eólica y solar han ido disminuyendo sustancialmente con el tiempo y se proyecta que se conviertan en las fuentes de electricidad más baratas para muchas regiones y para la mayoría de los países en los próximos años, destacando la importancia de desarrollar rutas científicas para la electrificación de grandes productos químicos, particularmente aquellos que implican una gran huella de carbono, tal como la síntesis de amoníaco, como se discute en este trabajo.
Conclusión
En resumen, en este estudio se ha desarrollado una nueva estrategia electroquímica de producción de amoníaco, ejemplificada por un proceso de ciclos mediado por litio para la síntesis de amoniaco a partir de N2 y H2O a presiones ambientales. Según su diseño, esta estrategia de ciclación electroquímica es capaz de ofrecer una eficiencia y selectividad excepcionales en comparación con los enfoques electroquímicos acuosos típicos, debido a la capacidad para eludir la reacción de evolución de hidrógeno (HER) que de otro modo sería competitiva y dominante. El proceso demostrado tiene una eficiencia de corriente global inicial del 88,5% para amoníaco, basado en las eficiencias determinadas individualmente en cada etapa de la síntesis.
Es importante destacar que los estudios de etiquetado isotópico con 15N2 demostraron que N2 era la fuente de nitrógeno para el amoníaco producido por este proceso. El análisis teórico sugiere que, basándose en esta estrategia generalizada, otros sistemas metálicos pueden seguir mejorando las métricas de la producción eficiente de amoníaco electroquímico, abriendo una nueva vía de investigación para explorar.
Aunque se ha representado un esquema de reacción escalonado para introducir y demostrar eficazmente el ciclo de reacción de litio, un proceso continuo en un dispositivo compartimentado sería beneficioso para la implementación.
El análisis inicial del costo de la electricidad y las consideraciones de energía para este proceso, revelan una promesa para mercados adecuados, especialmente teniendo en cuenta las ventajas de este proceso que puede utilizar recursos renovables, mitigar las emisiones de CO2 y ser fácilmente descentralizada, en comparación con la síntesis de amoníaco convencional centralizada.
Fuente publicación
Este artículo está publicado originalmente en la revista Energy & Environment, bajo la referencia: DOI: 10.1039/C7EE01126A (Paper) Energy Environ. Sci., 2017, 10, 1621-1630; cuyo Abstract se puede ver en la web de la Royal Society of Chemistry.
