Un percorso più pulito verso l’ammoniaca

James Mitchell Crow è uno scrittore freelance, con sede a Melbourne, in Australia.

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Douglas Macfarlane, direttore scientifico di Jupiter Ionics, spera di produrre fertilizzante verde.Credito: Steve Morton/Jupiter Ionics

Jupiter Ionics a Melbourne, Australia, scorporata dalla Monash University, Melbourne, nel 2021.

È un curioso capriccio della chimica che quando gli atomi di litio lavorano insieme, possono rompere uno dei legami chimici più forti conosciuti. Il litio può prendere la molecola di azoto a triplo legame (N2) e, in condizioni ambientali, romperla in due.

Jupiter Ionics a Melbourne, in Australia, finalista allo Spinoff Prize 2023, mira a sfruttare questa chimica per produrre ammoniaca (NH3).

L’ammoniaca è fondamentale per produrre fertilizzanti sintetici, su cui il mondo fa affidamento per coltivare i raccolti. Dall'inizio del 1900, l'ammoniaca è stata prodotta mediante il processo industriale Haber-Bosch. La produzione globale di ammoniaca raggiunge ora i 150 milioni di tonnellate all’anno.

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"Haber-Bosch è un pezzo fondamentale della chimica nel mondo di oggi, ma dipende dai combustibili fossili", afferma Douglas Macfarlane, ricercatore di elettrochimica alla Monash University di Melbourne e fondatore e direttore scientifico di Jupiter Ionics. Il processo funziona a pressione e temperatura elevate e in impianti di grandi dimensioni, centralizzati e a funzionamento continuo, difficili da sposare con la natura intermittente e su scala relativamente piccola dell’energia rinnovabile, spiega Macfarlane. Haber–Bosch è responsabile di circa l’1,5% delle emissioni globali di carbonio e il suo contributo continua a crescere.

Il laboratorio di Monash di Macfarlane ha aperto la strada a un percorso elettrochimico ad alta selettività, mediato dal litio, che porta all'ammoniaca. Il processo utilizza aria, acqua ed elettricità rinnovabile. Nel 2021, Macfarlane ha fondato Jupiter Ionics per ampliare e commercializzare il processo. L’obiettivo iniziale è la produzione di fertilizzanti verdi, ma una prospettiva è anche quella di generare ammoniaca come combustibile privo di carbonio. La tecnologia di Jupiter si sta avvicinando all'obiettivo del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti di raggiungere una produzione di ammoniaca senza emissioni di carbonio a un ritmo commercialmente competitivo con Haber-Bosch.

L'idea di separare le molecole di azoto per produrre ammoniaca utilizzando la corrente elettrica, invece che temperature e pressioni elevate, risale a un secolo fa1. Gli elettrodi in una cella elettrochimica possono scindere l'N2 in un processo mediato da un catalizzatore, quindi combinare gli atomi con i protoni (H+) provenienti dall'acqua per formare ammoniaca.

Questa è almeno la teoria, afferma Charles Day, amministratore delegato di Jupiter Ionics. "Le persone hanno prodotto piccole quantità di ammoniaca, ma per essere commercialmente rilevante è necessario essere in grado di produrla a un ritmo significativo", afferma Day, un ingegnere chimico diventato dirigente della commercializzazione della tecnologia. Day è stato inizialmente incaricato da Monash di scrivere il piano aziendale dell'azienda, prima di diventare l'amministratore delegato inaugurale.

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La sfida sta nel sopprimere una reazione secondaria in cui la cellula prende il percorso più semplice di combinare coppie di protoni per produrre gas idrogeno (H2), invece di ammoniaca. L'idrogeno è solitamente il prodotto predominante nel processo elettrochimico. Il problema, noto come sfida della selettività, è descritto da una metrica chiamata efficienza faradaica (FE): la quantità di ammoniaca prodotta rispetto all’ammoniaca che potrebbe essere generata in base all’input elettrico. Fino a pochi anni fa era stata segnalata una selettività dell’ammoniaca pari solo al 5-20% di FE.

Nel 2019, dopo aver valutato diversi sistemi elettrocatalizzatori candidati e aver prodotto poca o nessuna ammoniaca, il team di Monash di Macfarlane ha provato il litio. "Nel mondo delle batterie al litio era ormai noto che il litio reagisce con l'azoto", ricorda Macfarlane. "Questo è il passo più allettante: puoi aprire la molecola di azoto con il litio."