Una ruta más limpia hacia el amoníaco

James Mitchell Crow es un escritor independiente que vive en Melbourne, Australia.

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Douglas Macfarlane, director científico de Jupiter Ionics, espera producir fertilizante verde. Crédito: Steve Morton/Jupiter Ionics

Jupiter Ionics en Melbourne, Australia, se separó de la Universidad de Monash, Melbourne, en 2021.

Es una curiosa peculiaridad de la química que cuando los átomos de litio trabajan juntos, pueden romper uno de los enlaces químicos más fuertes que se conocen. El litio puede tomar la molécula de nitrógeno de triple enlace (N2) y, en condiciones ambientales, dividirla en dos.

Jupiter Ionics en Melbourne, Australia, finalista en The Spinoff Prize 2023, tiene como objetivo aprovechar esta química para producir amoníaco (NH3).

El amoníaco es crucial para producir fertilizantes sintéticos, de los que depende el mundo para cultivar. Desde principios de 1900, el amoníaco se produce mediante el proceso industrial Haber-Bosch. La producción mundial de amoníaco ahora alcanza los 150 millones de toneladas por año.

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"Haber-Bosch es una pieza muy central de la química en el mundo de hoy, pero depende de los combustibles fósiles", dice Douglas Macfarlane, investigador de electroquímica en la Universidad de Monash en Melbourne, y fundador y director científico de Jupiter Ionics. El proceso opera a alta presión y temperatura, y en plantas grandes, centralizadas y de funcionamiento continuo que son difíciles de casar con la naturaleza intermitente, comparativamente a pequeña escala, de la energía renovable, explica Macfarlane. Haber-Bosch es responsable de aproximadamente el 1,5 % de las emisiones mundiales de carbono, y su contribución sigue creciendo.

El laboratorio Monash de Macfarlane ha sido pionero en una vía electroquímica mediada por litio de alta selectividad hacia el amoníaco. El proceso utiliza aire, agua y electricidad renovable. En 2021, Macfarlane fundó Jupiter Ionics para ampliar y comercializar el proceso. Producir fertilizante verde es el objetivo inicial, pero generar amoníaco como combustible libre de carbono también es una perspectiva. La tecnología de Jupiter se está acercando al objetivo del Departamento de Energía de EE. UU. de lograr una producción de amoníaco libre de carbono a un ritmo que sea comercialmente competitivo con Haber-Bosch.

La idea de separar las moléculas de nitrógeno para producir amoníaco utilizando una corriente eléctrica, en lugar de altas temperaturas y presiones, se remonta a un siglo atrás1. Los electrodos de una celda electroquímica pueden dividir el N2 en un proceso mediado por un catalizador y luego combinar los átomos con protones (H+) extraídos del agua para formar amoníaco.

Esa es al menos la teoría, dice el director ejecutivo de Jupiter Ionics, Charles Day. "La gente ha producido pequeñas cantidades de amoníaco, pero para ser comercialmente relevante es necesario poder producirlo a un ritmo significativo", dice Day, un ingeniero químico convertido en ejecutivo de comercialización de tecnología. Monash contrató inicialmente a Day para que escribiera el plan de negocios de la compañía, antes de convertirse en el director ejecutivo inaugural.

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El desafío radica en suprimir una reacción secundaria en la que la celda toma el camino más simple de combinar pares de protones para producir gas hidrógeno (H2), en lugar de amoníaco. El hidrógeno suele ser el producto predominante en el proceso electroquímico. El problema, conocido como desafío de selectividad, se describe mediante una métrica llamada eficiencia faradaica (FE): la cantidad de amoníaco producido en relación con el amoníaco que podría generarse en función de la entrada eléctrica. Hasta hace unos años, se había informado una selectividad de amoníaco de solo 5-20% FE.

En 2019, después de evaluar varios sistemas electrocatalizadores candidatos y producir poco o nada de amoníaco, el equipo de Monash de Macfarlane probó el litio. "Se había vuelto bastante conocido en el mundo de las baterías de litio que el litio reacciona con el nitrógeno", recuerda Macfarlane. "Ese es el paso tentador, que puedes romper la molécula de nitrógeno con litio".

La química clave del proceso mediado por litio ocurre en el cátodo de la celda electroquímica. Aquí, el litio y el nitrógeno reaccionan para formar nitruro de litio (Li3N). Este intermedio reacciona con los protones (generados en el ánodo) para liberar amoníaco y regenerar el litio (ver 'La celda electroquímica de amoníaco').

Crédito: Alisdair MacDonald

En 2021, Macfarlane y sus colegas informaron2 que al agregar un transbordador de protones a base de fósforo para mediar en el suministro de protones al cátodo, habían alcanzado un 69 % de FE. Un año más tarde, informaron3 que al cambiar a un electrolito que soportaba mejor el paso de división del nitrógeno mediado por litio, habían alcanzado casi el 100 % de FE. "Para ser comercialmente relevante, la selectividad debe ser básicamente del 100%, que es lo que finalmente informó nuestro artículo más reciente", dice Macfarlane.

Estos niveles de producción de amoníaco son un importante paso adelante y colocan al equipo a la vanguardia del campo, dice Karthish Manthiram, un electroquímico que trabaja en la producción de amoníaco en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, que no está afiliado a la empresa. "Pensé que la comunidad tardaría algunos años más en lograr los resultados que han informado", dice Manthiram. Los resultados de Jupiter Ionics, agrega, sugieren que este es un buen momento para comercializar la investigación y llevarla a cabo en un entorno "más ágil y orientado a los resultados".

Según Manthiram, la ampliación de la tecnología y la demostración de estabilidad y longevidad serán desafíos clave. "Es un esfuerzo de alto riesgo", dice. "Se trata de cuándo funcionará la producción electroquímica de amoníaco, no de si funcionará, pero el momento siempre es la parte difícil de predecir".

Jupiter Ionics se lanzó en abril de 2021 y recaudó 2,5 millones de dólares australianos (1,7 millones de dólares estadounidenses) en financiación inicial. En marzo de 2022, la empresa ganó otros 2,65 millones de dólares australianos del gobierno australiano para liderar un consorcio de empresas a fin de desarrollar su tecnología ecológica de fabricación de amoníaco. Utilizando esta financiación colectiva, la empresa ha crecido hasta convertirse en un equipo de una docena de personas, dice Day.

Preparar el proceso para el mundo real significa pasar de una operación de lotes pequeños a un reactor escalable que produce amoníaco en un flujo continuo. "Por separado, el lado del ánodo y el lado del cátodo del proceso de flujo ahora funcionan bien", dice Irina Simonova, investigadora de electroquímica de la empresa. "Ahora nos estamos enfocando en hacer que las dos partes trabajen bien juntas", dice ella. Ambos electrodos deben transportar la misma corriente, son dos partes del mismo circuito eléctrico, pero en este momento cada electrodo tiene su propia corriente óptima por unidad de área (la densidad de corriente). El equipo está trabajando para ajustar el área y el grosor de cada electrodo para lograr el punto óptimo de densidad de corriente.

La compañía planea volver al mercado a finales de este año para aumentar la inversión de 'serie A', dice Day. "A medida que aumentamos, los reactores se vuelven más grandes y más caros. La próxima ronda de inversión es comenzar a escalar hasta algo más parecido a un producto que podamos vender".

Jupiter Ionics tiene una tecnología sólida que se enfoca en una necesidad real, y también tiene un equipo y un plan de negocios sólidos, dice Bob Gatte, juez de The Spinoff Prize 2023 y director ejecutivo de HighT-Tech en College Park, Maryland, que ganó el premio. en 2021. "Si su primer camino hacia la comercialización no funciona, tienen otras opciones".

El equipo ha identificado varias rutas potenciales para la generación de ingresos. "Tenemos la opción de fabricar sistemas completos nosotros mismos o de licenciar nuestra tecnología a otras empresas", dice Day. "Todavía estamos evaluando cuál de ellos tiene más sentido para nosotros".

También en el horizonte hay un mercado emergente para el amoníaco verde en el sector energético. Cada vez más, el amoníaco generado a partir de fuentes renovables se reconoce como un potencial portador de energía: una forma de convertir la energía renovable en una forma química que se puede almacenar, transportar o incluso enviar fácilmente.

“Inicialmente nos estamos enfocando en fertilizantes porque está abordando el problema actual, hoy”, dice Day. "Hay un mercado de amoníaco de cerca de 200 millones de toneladas anuales que necesita descarbonizarse lo más rápido posible. Pero ciertamente queremos desempeñar un papel en el desarrollo del amoníaco como vector de energía", dice.

"La energía ofrece ventajas potenciales además de su enfoque principal", dice Gatte. "Ahora, tienen que demostrar que la tecnología es escalable".

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01659-w

Este artículo es parte de Nature Outlook: The Spinoff Prize 2023, un suplemento editorialmente independiente producido con el apoyo financiero de terceros. Sobre este contenido.

Fichter, F., Girard, P. y Erlenmeyer, H. Helv. quim. Acta 13, 1228–1236 (1930).

Artículo Google Académico

Suryanto, BHR et al. Ciencia 372, 1187–1191 (2021).

Artículo PubMed Google Académico

Du, H.-L. et al. Naturaleza 609, 722–727 (2022).

Artículo PubMed Google Académico

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