L’impronta ecologica del processo Haber-Bosch: metodi innovativi per l’attivazione della molecola di N2

L’ammoniaca è una molecola di importanza cruciale per l’industria chimica, essendo un reagente di sintesi per una grande varietà di composti, oltre ad essere fondamentale per la produzione di fertilizzanti in agricoltura. La sua produzione industriale però, attraverso il processo Haber-Bosch, è responsabile del 2% del consumo energetico globale e del 3% delle emissioni di gas serra, come la CO2. l La reazione di sintesi dell’ammoniaca è spontanea ed esotermica a temperatura ambiente (ΔHf° (27°C) = - 46.35 kJ/mol), ma la sua velocità è troppo bassa per poter essere applicata a livello industriale. Per velocizzarlo, il processo viene condotto a temperature più elevate (400-500 °C) ed elevate pressioni (100-300 bar), con l’ausilio di un catalizzatore al ferro, la magnetite. Queste condizioni estreme di reazione sono necessarie a causa del forte triplo legame della molecola di azoto (941 kJ/mol). In questa tesi sono presentate delle metodologie innovative per la reazione di riduzione dell’azoto ad ammoniaca (NRR) attualmente studiate nel campo della ricerca, che consentono questa reazione in condizioni più blande e in processi potenzialmente alimentati da energia rinnovabile. La prima metodologia presentata è quella dei SAC (Single-atom catalyst), dei catalizzatori ad alto livello tecnologico in cui singoli atomi di metallo o non metallo attivi nella catalisi vengono dispersi in modo omogeneo ed ordinato sulla superficie di un substrato solido. La seconda metodologia è quella dell'utilizzo delle Nitrogenasi in un sistema ibrido inorganico biologico. Questi enzimi, presenti all'interno di alcuni microorganismi azotofissatori permettono di ridurre la molecola di azoto in composti azotati più facilmente assimilabili dagli organismi viventi.