Procesos de síntesis de amoniaco : vías de reducción de nitrógeno con especial interés en la fotocatálisis

Abstract

El amoniaco es uno de los productos químicos más importantes en la actualidad, ya que es necesario para la fabricación de fertilizantes, además de ser utilizado en numerosas aplicaciones industriales. En un contexto global de reducción de gases de efecto invernadero, el amoniaco tiene un gran potencial para utilizarse como carrier de energía verde en forma de electro-combustible. El proceso Haber-Bosch es la técnica dominante en la industria de producción del amoniaco, pero, debido a sus grandes requerimientos energéticos (elevadas presiones y temperaturas), que consumen entre el 1 y 2% de la energía primaria del mundo, así como la emisión de más de 300 Mt CO2/año a la atmósfera, se están buscando rutas de síntesis alternativas. Como consecuencia, se están diseñando nuevos procesos y modificaciones del sistema convencional que permitan una síntesis de amoniaco más sostenible y eficiente. Este trabajo se ha centrado en el análisis de las diferentes tecnologías de producción de amoniaco, con distintos niveles de madurez tecnológica, que se están desarrollado como métodos alternativos al proceso Haber-Bosch convencional. En particular, se ha hecho una revisión bibliográfica y análisis de los cambios propuestos en el Haber-Bosch y de los avances en los nuevos procesos de reducción de nitrógeno. Dentro de estos últimos, se han analizado los métodos de síntesis electroquímica, fotoquímica y fotoelectroquímica, con especial interés en los pasos necesarios para su implementación y las condiciones de reacción de cada uno de ellos. También se han analizado técnicas menos desarrolladas como la síntesis asistida por plasma, síntesis por reducción electrolítica asistida por redox o síntesis bioelectroquímica. Dentro de las técnicas de producción de amoniaco verde la fotocatálisis está en un nivel de desarrollo TRL 3-4, y presenta ventajas tales como: (i) producir amoniaco a temperatura y presión ambiente, (ii) solo necesitar aire (fuente de nitrógeno) y luz solar (energía) y (iii) la luz se recoge, concentra y convierte en calor, lo cual permite una síntesis más eficaz que otras técnicas ya que no necesita convertir el calor en otras formas de energía. Por ello, se ha llevado a cabo también la síntesis de nanopartículas de TiO2 en laboratorio por un método de precipitación. Estas nanopartículas se han caracterizado mediante técnicas de difracción de rayos X, espectroscopia Raman y reflectancia con el fin de comprobar si cumplen los requisitos de tamaño y fase cristalina necesarios para su uso como fotocatalizador.

Ammonia is one of the most important chemicals today, as it is needed not only for the manufacture of fertilizers, but also in numerous industrial applications. In a global context of greenhouse gas reduction, ammonia has great potential to be used as a green energy carrier in the form of electro-fuel. The Haber-Bosch process is the dominant technique in the ammonia production industry, but due to its high energy requirements (high pressures and temperatures for synthesis), which consume between 1 and 2% of the world's primary energy, as well as the emission of more than 300 Mt CO2/year into the atmosphere, alternative synthesis routes are being sought. As a consequence, new processes and modifications of the conventional system are being designed that allow a more sustainable and efficient synthesis of ammonia. This work has focused on the analysis of the different ammonia production technologies, with different levels of technological maturity, that are being developed as alternative methods to the conventional Haber-Bosch process. In particular, a literature review and analysis of the changes proposed in the Haber-Bosch process as well as the advances in the new nitrogen reduction processes that have been carried out. Within the latter, the electrochemical, photochemical and photoelectrochemical synthesis methods have been analysed, with special interest in the steps necessary for their implementation and the reaction conditions of each of them. Plasma-assisted synthesis, redox-assisted electrolytic reduction synthesis and bioelectrochemical synthesis techniques have also being analysed. Among the techniques for green ammonia production, photocatalysis is at a TRL 3-4 level of development, and that it has advantages such as: (i) producing ammonia at ambient temperature and pressure, (ii) only needing air (nitrogen source) and sunlight (energy) and (iii) the light is collected, concentrated and converted into heat, which allows a more efficient synthesis than any other technique as it does not need to convert the heat into other forms of energy. In this regard, the synthesis of TiO2 nanoparticles has also been carried out in the laboratory by a precipitation method. These nanoparticles have been characterized using X-ray diffraction, Raman spectroscopy and reflectance techniques to check if they fulfill the size and crystalline phase requirements needed to be used as a photocatalyst.