Explotar el hidrógeno depositado a potencial inferior permite la electroreducción de nitrato a amonio con alta eficiencia energética

Convertir residuos en un recurso útil

El amonio es una pieza clave de la agricultura y la industria modernas, pero la mayor parte aún se produce mediante el proceso centenario Haber–Bosch, que consume grandes cantidades de combustibles fósiles y emite dióxido de carbono en grandes cantidades. Al mismo tiempo, la contaminación por nitratos procedente de fertilizantes y residuos industriales amenaza ríos, lagos y aguas potables. Este estudio explora una forma de abordar ambos problemas a la vez: usar electricidad para transformar el nitrato en agua alcalina directamente en amonio, empleando la energía con mayor eficiencia y manteniendo los costes competitivos frente a las grandes plantas químicas actuales.

Por qué importan el amonio y el nitrato

El amonio alimenta a miles de millones de personas mediante fertilizantes y también sirve como posible combustible limpio y materia prima industrial. Sin embargo, la ruta de producción estándar supone una parte notable de las emisiones y el consumo energético globales. El nitrato, por su parte, es un contaminante habitual en aguas residuales y escorrentías agrícolas. Dispositivos electroquímicos alimentados con electricidad renovable pueden, en principio, convertir el nitrato de nuevo en amonio, cerrando el ciclo del nitrógeno. Los sistemas existentes ya pueden producir amonio a ritmos impresionantes, pero a menudo desperdician energía y tienen dificultades para competir en costes con las plantas Haber–Bosch.

Un nuevo catalizador que se comporta como una enzima

Los investigadores diseñaron un catalizador sólido especial compuesto por metales de plata y rutenio organizados en una estructura porosa tridimensional. Al microscopio, la plata forma una estructura tipo esponja llena de pequeñas cavidades, mientras que el rutenio recubre las superficies internas como una capa ultrafina. Esta disposición imita cómo las enzimas guían moléculas a través de canales estrechos revestidos con sitios activos distintos. En este caso, las moléculas de nitrato primero encuentran regiones de plata que eliminan oxígeno y convierten nitrato en nitrito, y luego se desplazan a regiones próximas de rutenio donde se hidrogenan más hasta formar amonio. El equipo demostró que la plata y el rutenio permanecen como fases metálicas separadas, muy cercanas entre sí, en lugar de mezclarse en una sola aleación, lo que es clave para sus roles complementarios.

Usar hidrógeno oculto para una conversión eficiente

Una idea central del trabajo es explotar una forma sutil de hidrógeno que se adhiere a las superficies metálicas a potenciales más positivos que los que habitualmente generan gas hidrógeno. Este hidrógeno “a potencial inferior” actúa como un almacén listo de protones en la superficie del rutenio, que pueden transferirse directamente al nitrito y otros intermediarios de reacción sin desperdiciar energía en la evolución de hidrógeno. Experimentos y simulaciones por ordenador revelaron que la interacción electrónica entre la plata y el rutenio facilita la escisión del agua en el rutenio, formando rápidamente este hidrógeno superficial, mientras que al mismo tiempo fortalece la adsorción de grupos hidroxilo superficiales. Esos grupos hidroxilo ayudan a eliminar el exceso de hidrógeno reformando agua, manteniendo los sitios de rutenio lo bastante libres para que nitrato y nitrito se adsorban y reaccionen.

Rendimiento en agua limpia y aguas residuales

En ensayos en solución fuertemente alcalina, el catalizador de plata–rutenio alcanzó tasas de conversión de nitrato a amonio muy altas y una selectividad casi perfecta hacia el amonio en un amplio rango de concentraciones de nitrato, desde niveles traza hasta corrientes concentradas. A voltajes aplicados modestos, el sistema alcanzó una eficiencia energética en semicelda del 53,7 por ciento, cercana al punto de referencia del proceso Haber–Bosch, y mantuvo un alto rendimiento incluso en aguas residuales industriales simuladas y reales complejas. Emparejar el cátodo reductor de nitrato con un ánodo oxidante de hidrógeno en una celda de flujo permitió que el dispositivo funcionara a densidades de corriente relevantes industrialmente con un bajo voltaje de celda total, a veces incluso con un ligero balance energético neto cuando las condiciones eran favorables.

Costes e impacto futuro

El análisis económico indica que, con el nuevo catalizador y un diseño de celda asistida por hidrógeno, el coste del amonio producido electroquímicamente podría caer por debajo de aproximadamente 1,15 dólares estadounidenses por kilogramo, un precio típico del amonio producido de forma convencional. Esto se mantiene en un amplio rango de corrientes de operación y sigue siendo viable incluso cuando el nitrato se recoge de corrientes de aguas residuales y el hidrógeno procede del gas natural, con o sin captura de carbono. Al identificar cómo la fuerza de unión del oxígeno en el rutenio controla el uso del hidrógeno superficial y la adsorción de nitrato, el estudio también propone una guía práctica para diseñar mejores catalizadores. Para los no especialistas, el mensaje clave es que podría llegar a ser posible convertir la contaminación por nitratos en agua en amonio valioso usando electricidad con un uso energético y costes competitivos, ayudando a limpiar el medio ambiente mientras se suministra un químico esencial.

Cita: Zhang, L., Liu, R., Liang, X. et al. Exploiting underpotential deposited hydrogen enables energy-efficient nitrate electroreduction to ammonia. Nat Commun 17, 4652 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71299-x

Palabras clave: reducción de nitrato, síntesis de amonio, electrocatalizador, plata rutenio, tratamiento de aguas residuales