La fijación de nitrógeno es un proceso
que convierte el nitrógeno de la atmósfera de la Tierra en amoníaco (NH3). Los
compuestos de nitrógeno son necesarios para la biosíntesis de plantas, animales
y otras formas de vida, por lo que la su fijación es esencial y
crucial para mantener todas las formas de vida. En la naturaleza, la
fijación de nitrógeno es realizada por la enzima nitrogenasa. En la industria,
el fertilizante a base de amoníaco se fabrica mediante el proceso industrial de
Haber-Bosch utilizando H2 y N2. Su principal
problema es que requiere presiones y
temperas extremadamente altas (150-250 bar y 400-500°C) con grandes cantidades
de H2 producida mediante un alto consumo de combustibles fósiles con la
concomitante emisión de CO2 .
En el artículo "Single Mo atom Supported on Defective Boron
Nitride Monolayer as an Efficient Electrocatalyst for Nitrogen Fixation: A
Computational Study" publicado
en el Journal of the American Chemical Society, el profesor
Jingxiang Zhao (College of Chemistry and Chemical Engineering of Harbin Normal
University, China) y el Prof. Zhongfang Chen (Department of Chemistry,
University of Puerto Rico, USA) han propuesto un electrocatalizador bastante
prometedor basado en un solo átomo para la reducción de N2 a
NH3 en condiciones ambientales.
Los
catalizadores de átomo único (SAC) han surgido como una nueva frontera en la
catálisis demostrando rendimientos distintivos para diversas
reacciones debido a su alta actividad catalítica con una cantidad
significativamente reducida de metales utilizados. Sin embargo, el
rendimiento catalítico de los SAC para la fijación y conversión de N2 ha
sido poco explorado.
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| Optimized structure of Mo-embedded BN monolayer. © American Chemical Society) |
Por medio de cálculos los investigadores evaluaron
sistemáticamente el rendimiento de una serie de átomos de metales de transición
(Sc ~ Zn, Mo, Rh, Ru, Pd y Ag) anclados en monocapa de nitruro de boro (BN) con
monovacancias, para ser utilizados como catalizadores de reducción del N2 .Exploraron tres mecanismos de reacción y calcularon
las energías libres de cada paso elemental. Finalmente encontraron que un único
átomo de Mo soportado por una monocapa de nitruro de boro defectuosa exhibe la
actividad catalítica más alta para la fijación de N2 a temperatura
ambiente y con un sobrepotencial aplicado bastante bajo.
El estudio, no solo
abre una nueva vía de producción de NH3 a partir de SAC para
la fijación de N 2 en condiciones ambientales, también establece un
procedimiento eficiente para seleccionar SAC efectivos basados en el
entendimiento del mecanismo de catálisis para el diseño de los nanocatalizadores
del futuro.
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