Ammoniaca verde: sviluppato un metodo di sintesi a base di plasma, aria e rame che potrebbe sostituire il processo Haber-Bosch

L’ammoniaca è l’ingrediente principale dei fertilizzanti che mandano avanti buona parte dell’agricoltura globale, ma è anche molto utilizzata per la produzione di plastica, fibre sintetiche e altri prodotti d’uso quotidiano. Questa molecola, conosciuta sin dall’antichità, è un tassello cruciale per raggiungere l’obiettivo net-zero: se solo si trovasse un metodo sostenibile per produrla, l’ammoniaca potrebbe essere facilmente usata come carburante per navi o come deposito per le energie rinnovabili.

Attualmente, però, l’ammoniaca è il prodotto in assoluto più impattante – in termini di consumi ed emissioni – dell’intera industria chimica. Perciò gli scienziati di tutto il mondo sono da tempo alla ricerca di alternative meno inquinanti e dispendiose per la sintesi di questa molecola fondamentale. I ricercatori dell’Università di Sydney ci lavorano da diversi anni, e hanno appena sviluppato un nuovo metodo per la sintesi di NH3 che permette di abbattere la dipendenza dalle fonti fossili: in questo processo, spiegano, l’aria viene convertita in ammoniaca utilizzando l’elettricità.

Ammoniaca verde, un’evoluzione necessaria

Circa la metà della produzione alimentare globale dipende da fertilizzanti a base d’ammoniaca. Questo composto dell’azoto è uno dei prodotti chimici più richiesti a livello mondiale: lo si trova nelle vernici, nella carta, nella gomma, nelle tinture per capelli e nelle sigarette, ed è ampiamente utilizzato per la sintesi del bicarbonato di sodio e per la produzione dei fibre sintetiche, esplosivi, propellenti per razzi e materie plastiche.

Ancora oggi, però, circa il 90% dell’ammoniaca viene prodotta secondo il processo Haber-Bosch, un procedimento molto dispendioso che ricava energia essenzialmente da gas naturale, petrolio e carbone. L’enorme impatto ambientale di questo processo è dovuto in particolare alla produzione di idrogeno molecolare (H2), che insieme all’azoto (N2) serve come reagente nella sintesi dell’ammoniaca. L’idrogeno, infatti, viene comunemente prodotto attraverso lo Steam methane reforming (SMR), un processo che da solo produce l’1,8% delle emissioni globali di anidride carbonica.

Come si legge nel rapporto pubblicato nel 2020 dalla Royal Society, ridurre la quantità di CO2 emessa durante il processo di produzione dell’ammoniaca è fondamentale per raggiungere gli obiettivi net-zero entro il 2050. Nel rapporto, che analizza anche possibili metodi di produzione dell’ammoniaca alternativi al processo Haber-Bosch, si evidenziano le enormi potenzialità di un mercato dell’ammoniaca verde: questo composto onnipresente e facilmente trasportabile è il “deposito chimico ideale per le energie rinnovabili”, ma può essere anche utilizzato come carburante a zero emissioni di CO2, per esempio sostituendo l’olio combustibile nel trasporto marittimo, responsabile di oltre il 2% delle emissioni globali.

Una nuova alternativa al processo Haber-Bosch

Secondo Bill David, professore di chimica dei materiali dell’università di Oxford e primo autore del briefing della Royal Society, l’ammoniaca è “l’unico carburante a zero emissioni di carbonio in grado di farci attraversare gli oceani”. Un’evoluzione che potrebbe avvenire nel giro di pochi anni. D’altro canto, dobbiamo considerare due limiti importanti: innanzitutto, bruciare ammoniaca produce ossidi di azoto, che sono gas serra inquinanti. Inoltre, l’ammoniaca è il prodotto in assoluto più impattante dell’industria chimica.

Come spiegava in maniera molto chiara il Professor David nel 2020,

“In termini di emissioni da processi industriali, la produzione di ammoniaca è seconda soltanto a quella di cemento e acciaio”.

La buona notizia, prosegue il rapporto, è che esistono diversi metodi che permettono di abbattere l’impatto della produzione globale di NH3. L’idrogeno può essere prodotto per elettrolisi a partire dall’acqua (anche se il procedimento risulta ancora più costoso di quello tradizionale), e si può addirittura uscire dai confini del “vecchio” processo Haber-Bosch, per esempio sfruttando l’azione di batteri che possono sintetizzare l’ammoniaca grazie all’enzima nitrogenasi o affinando le tecniche di produzione elettrochimica, che possono sintetizzare NH3 direttamente da acqua e azoto utilizzando l’elettricità.

Il team del professor PJ Cullen, della Scuola di Ingegneria Chimica e Biomolecolare dell’Università di Sydney, lavora da diversi anni alla produzione di ammoniaca verde. E in uno studio pubblicato pochi mesi fa sull’edizione internazionale della rivista tedesca AngewandteChemie ha rivelato un metodo che permette di sintetizzare ammoniaca a partire dall’aria:

“In questa ricerca abbiamo sviluppato con successo un metodo che consente di convertire l’aria in ammoniaca nella sua forma gassosa utilizzando l’elettricità”,

spiega Cullen.

Aria, plasma e rame per la sintesi di ammoniaca verde

Il nuovo metodo sviluppato dal team del professor Cullen sfrutta il potere del plasma, usato per elettrizzare o eccitare l’aria. Ma il protagonista è un elettrolizzatore a membrana, una scatola d’argento all’interno della quale avviene la conversione in ammoniaca gassosa. Il nuovo metodo si differenzia dai tentativi precedenti proprio per il fatto di sintetizzare l’ammoniaca direttamente in forma gassosa, senza passare per la soluzione di ammonio (NH4+) che poi deve essere trasformata nel prodotto finale.

Il metodo al plasma sviluppato dal team del professor Cullen utilizza l’elettricità per eccitare le molecole di azoto e ossigeno presenti nell’aria. Queste molecole eccitate, poi, passano all’elettrolizzatore a membrana dove sono convertite in ammoniaca grazie a un catalizzatore costituito da nanoparticelle di Fe2O3 su rame.

Secondo i ricercatori, si tratta di un percorso molto più semplice per la produzione di ammoniaca: essendo prodotta direttamente in fase gassosa, infatti, la sua separazione risulta molto più efficiente. Potrebbe poi essere facilmente catturata e sfruttata utilizzando materiali porosi cristallini e polimeri organici porosi. Come spiega Cullen,

“Questo nuovo approccio è un processo a due fasi che combina plasma ed elettrolisi. Abbiamo già reso la componente al plasma praticabile in termini di efficienza energetica e scalabilità”.

Ora, il team sta lavorando per rendere questo metodo più efficiente dal punto di vista energetico, in modo che possa configurarsi come un’alternativa concreta al processo Haber-Bosch.

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