Un catalizzatore di platino a singolo atomo accende l’ammoniaca a 200 °C e la mantiene in combustione costante a 1.100 °C con basse emissioni di NO x , generando calore di alta qualità e privo di carbonio per l’industria siderurgica, cementiera e chimica.
L’ammoniaca è un combustibile allettante per i lavori più richiesti al mondo. Può essere prodotta a partire da aria, acqua ed elettricità rinnovabile, immagazzinata allo stato liquido e trasportata utilizzando il know-how che l’industria già possiede.
Tuttavia, il problema è che è difficile da accendere, brucia lentamente e tende a emettere ossidi di azoto (NOx ) quando viene spinto ad alte temperature. Questa combinazione ha fatto sì che l’industria pesante, dove il calore ad alta temperatura è imprescindibile, rimanesse legata ai combustibili fossili.
I ricercatori del CDE hanno ora dimostrato che la progettazione a livello atomico può cambiare le carte in tavola. In un lavoro pubblicato su Joule , un team guidato dal professor Yan Ning del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e dal professore associato He Qian del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali ha progettato un catalizzatore in grado di far bruciare l’ammoniaca a temperature appena superiori ai 200 °C e di mantenere una combustione pulita a 1.100 °C. È importante sottolineare che il catalizzatore converte completamente il combustibile in azoto e acqua, con solo tracce di NO x . Ciò significa che un giorno le industrie potrebbero utilizzare l’ammoniaca per generare calore ad alta temperatura senza produrre anidride carbonica o gas di scarico nocivi.
Perché è stato difficile sfruttare il calore dell’ammoniaca
I forni e i reattori industriali necessitano di calore intenso e controllabile, erogato su richiesta. In linea di principio, l’ammoniaca può fornirlo senza l’utilizzo di carbonio. Tuttavia, in pratica, la situazione è complessa. La “finestra di infiammabilità” dell’ammoniaca è ristretta: brucia in modo pulito solo in un intervallo limitato di miscele combustibile-aria. Inoltre, la temperatura di “accensione”, ovvero il punto in cui inizia a bruciare facilmente, è elevata e le fiamme possono diventare instabili. Quando gli operatori aumentano la temperatura per mantenere viva la fiamma, la concentrazione di NOx tende ad aumentare.
“L’industria pesante necessita di calore di alta qualità, non solo di un sistema di scarico pulito”, afferma il Prof. He. “Il nostro obiettivo era quello di prendere due piccioni con una fava: rendere l’ammoniaca più facile da incendiare e mantenere basse le emissioni di NOx quando il sistema funziona ad alte temperature.”
L’approccio del team, noto come combustione catalitica dell’ammoniaca ad alta temperatura, utilizza un catalizzatore di superficie per facilitare la reazione dell’ammoniaca con l’ossigeno. La difficoltà sta nel trovare un materiale che non solo inneschi la combustione precocemente, ma che resista anche alle temperature estreme necessarie per il calore industriale.
Un catalizzatore durevole, costruito atomo per atomo
I ricercatori hanno trovato la risposta in un materiale che distribuisce singoli atomi di platino – ognuno dei quali funge da minuscolo sito di reazione – su un supporto resistente costituito da allumina rinforzata con zirconia. Questa struttura impedisce agli atomi di metallo di aggregarsi sotto l’effetto del calore e aiuta il catalizzatore a mantenere la sua struttura a temperature superiori a 1000 °C.
Nei test di laboratorio, il catalizzatore ha innescato la combustione dell’ammoniaca a circa 215 °C, una temperatura di gran lunga inferiore ai 500 °C o più solitamente necessari, mantenendola costante a 1.100 °C. Ogni molecola di ammoniaca è stata convertita, senza lasciare tracce di residui incombusti e con una formazione pressoché nulla di NO x . Il catalizzatore ha inoltre mostrato una maggiore efficacia con l’utilizzo: dopo il primo ciclo, le sue prestazioni sono migliorate e si sono mantenute stabili anche dopo ripetuti cicli ad alta temperatura.
A basse temperature, i singoli atomi di platino aiutano le molecole di ammoniaca a scindersi e a ricombinarsi con l’ossigeno per formare azoto e acqua, il risultato più pulito possibile della combustione. A temperature più elevate, la struttura del catalizzatore devia la reazione dalla formazione di NO x . Analisi di imaging avanzate hanno confermato che, anche dopo 80 ore di funzionamento, gli atomi di platino sono rimasti dispersi e attivi, dimostrando la resistenza termica del catalizzatore.
“Ciò che conta qui è la logica progettuale”, afferma il professor Yan. “L’abbinamento di un supporto termostabile con atomi metallici isolati ci consente di ottenere sia un’accensione precoce che una resistenza a temperature estreme. Il sistema favorisce naturalmente la formazione di azoto rispetto agli ossidi di azoto.”
Il professor He aggiunge: “Le industrie potrebbero modernizzare i propri sistemi con modifiche minime, ottenendo i vantaggi del calore pulito senza dover ricostruire gli impianti da zero.”
Il prossimo passo dei ricercatori è quello di portare questo concetto più vicino all’ambiente di produzione. Con il supporto del Centro per l’Innovazione dell’Idrogeno della NUS (National University of Singapore), il team si sta preparando per prove su scala pilota utilizzando impianti attrezzati per la gestione sicura dell’ammoniaca. L’obiettivo è testare il catalizzatore in configurazioni pratiche, come bruciatori industriali, turbine a gas o reattori ad alta temperatura, per verificarne le prestazioni in condizioni operative reali.
“L’ammoniaca ha sempre rappresentato una promettente fonte di combustibile a basse emissioni di carbonio, ma per renderla realmente utilizzabile era necessario risolvere un annoso problema chimico”, afferma Du Yankun, primo autore dell’articolo. “Il nostro catalizzatore dimostra che è possibile liberare l’energia dell’ammoniaca in modo pulito e affidabile. Questo ci avvicina di un passo al riscaldamento industriale a zero emissioni di carbonio.”
L’ammoniaca verde (NH₃ ) è un combustibile rinnovabile promettente, ma presenta caratteristiche di combustione insoddisfacenti. e La combustione catalitica ad alta temperatura di NH₃ (HT-CAC) offre una soluzione interessante per migliorare la combustibilità dell’NH₃ consente di estrarre calore di alta qualità con emissioni nocive ridotte. Raggiungere l’HT-CAC è un compito difficile a causa di (1) i rigorosi requisiti di stabilità dei catalizzatori e (2) le potenziali elevate emissioni di NOₓ . , dimostriamo che il platino (Pt) disperso a livello atomico su ossido con di alluminio (Al₂O₃) il 10% di biossido di zirconio ( ZrO₂ In questo studio ) può facilitare il processo HT-CAC. Il catalizzatore innesca la combustione di NH₃ appena sopra i 200 °C e presenta un’eccellente stabilità se utilizzato a 1.100 °C. La presenza del catalizzatore riduce inoltre le emissioni di NOₓ a circa 50 ppm senza emissioni rilevabili di NH₃ . Questo lavoro dimostra che la combinazione di catalizzatori a singolo atomo con materiali di supporto refrattari è una strategia efficace per la progettazione di catalizzatori per HT-CAC, che a sua volta contribuirà alla decarbonizzazione di molti settori “difficili da decarbonizzare”, come il riscaldamento industriale.
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