Fertilizante nanobiomimético solar

El amoníaco (NH₃) es un componente importante de los fertilizantes. Sin embargo, la producción de amoníaco consume alrededor del 2 por ciento de la producción total de energía del mundo y libera 500 megatoneladas de dióxido de carbono al año. Un equipo de investigación dirigido por científicos de la City University of Hong Kong (CityU) desarrolló un nuevo tipo de fotocatalizador que puede producir amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico a temperatura ambiente utilizando la luz solar.  

Crédito: Jin Shang y col. City University of Hong Kong

En el artículo Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal–Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation publicado en la revista ACS Nano 2021(15, 6, 9670–9678) los investigadores presentan un fotocatalizador para la fijación eficiente de nitrógeno del aire en el suelo inspirándose en la clorofila, que presenta una estructura de porfirina como fotosensibilizador y la enzima nitrogenasa que presenta un átomo de hierro Fe como un sitio de unión favorable para el nitrógeno a través de una unión π. El desarrollo es realizado a base de porfirina (PMOF) con Fe como centro activo del fotocatalizador artificial (biomimético) para la reducción del nitrógeno atmósférico (NRR) en condiciones ambientales. El PMOF presenta aluminio (Al) como componente metálico para lograr alta estabilidad y Fe incorporado y disperso atómicamente en cada anillo de porfirina para promover la adsorción y la activación de N₂. El sistema denominado Al-PMOF(Fe) presenta una tasa de producción de amoníaco de 127 μg por hora por gramo de catalizador. El nanobiomimético diseñado para producir amoníaco a partir de nitrógeno atmosférico y  agua, utilizando la luz solar, puede contribuir a mitigar la creciente crisis energética y los problemas ambientales.

Información complementaria: Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal–Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation.

Nanopartículas fertitizantes. Una nueva revolución verde.

La "revolución verde" de los años 60 y 70 se encuadra en el auge de la utilización de fertilizantes para estimular la producción agrícola y ayudar a alimentar a miles de millones de personas en todo el planeta. No obstante, el costo de los fertilizantes se mantiene relativamente alto y puede limitar su utilización y disminuir la producción de alimentos. En el artículo reciente “Urea-Hydroxyapatite Nanohybrids for Slow Release of Nitrogen”, publicado en la revista ACSNano, se presenta una forma sencilla de hacer un fertilizante inocuo, más eficiente y capaz de contribuir a una segunda revolución verde. Los agricultores utilizan a menudo urea, una rica fuente de nitrógeno como fertilizante. Su defecto, sin embargo, es degradarse rápidamente en el suelo produciendo amoniaco (hidratado) que se elimina por lavado, creando un problema ambiental importante por conducir a la eutrofización de los cursos de agua y, finalmente, entrar a la atmósfera, como dióxido de nitrógeno, el principal gas de efecto invernadero vinculado con la agricultura. La descomposición rápida también limita la cantidad de nitrógeno disponible para ser absorbido por las raíces de los cultivos y exige a los agricultores aplicar más fertilizante si quieren aumentar la producción. Para evitar el problema los investigadores desarrollaron un método simple: suministrar la urea adsorbida a nanopartículas. Utilizan nanopartículas de hidroxiapatita (HA), un mineral presente en los tejidos humanos y animales, considerado  respetuoso del medio ambiente. En el agua, la hibridación de la nanohidroxiapatita con la urea libera el nitrógeno 12 veces más lento en comparación con la urea libre. Pruebas de campo iniciales en las granjas de arroz mostraron que el híbrido nanohidroxiapatita-urea disminuye la necesidad de fertilizante a la mitad. Toda una nueva revolución verde para ayudar a alimentar a la población en continuo crecimiento y también mejorar la sostenibilidad ambiental de la agricultura.

Lectura complementaria (artículo completo):

Urea-Hydroxyapatite Nanohybrids for Slow Release of Nitrogen.

Fertilizante nanobiosolar.

Un grupo de científicos del National Renewable Energy Laboratory (NREL) en Golden Estados Unidos y de la Universidad de Colorado Boulder  desarrollaron  un nuevo método (“Enzymes make fertilizer with sunlight”, Science  22 Apr 2016) capaz de utilizar la luz solar para producir  amoniaco, el ingrediente principal de los fertilizantes. Hay dos formas principales para transformar el nitrógeno, el gas más común en la atmósfera de la tierra para su uso por los organismos vivos. Uno es un proceso biológico originado cuando el nitrógeno atmosférico se "fija" por bacterias presentes en las raíces de algunas plantas como las legumbres y luego se convierte en amoníaco por una enzima llamada nitrogenasa. El otro es un proceso químico conocido como método de Haber-Bosch, es un método industrial desarrollado hace un siglo que trasforma el nitrógeno a amoníaco en una cadena compleja de eventos a altas temperaturas y presiones. El proceso Haber-Bosch requiere el uso significativo de combustibles fósiles con el correspondiente aumento de las emisiones de gases responsables del efecto invernadero. El novedoso estudio demuestra que los nanocristales de sulfuro de cadmio  pueden utilizar la luz solar para que los electrones desencadenen la reducción enzimática del nitrógeno del aire en amoníaco. La clave es combinar nanocristales semiconductores con la nitrogenasa, el catalizador natural para convertir el nitrógeno en amoníaco. Mediante la integración de la nanotecnología con la química biológica, surge un nuevo método para obtener fertilizante aprovechando ventajosamente la radiación solar. El descubrimiento puede conducir a desarrollos futuros capaces de mejorar  las prácticas agrícolas mundiales y la  dependencia de los agricultores de los combustibles fósiles.

Lectura complementaria:
Nanobiofotosíntesis artificial.