Sfruttare l’idrogeno a sottopotenziale permette la riduzione elettrochimica del nitrato in ammoniaca con elevata efficienza energetica

Trasformare i rifiuti in una risorsa utile

L’ammoniaca è una pietra angolare dell’agricoltura e dell’industria moderna, ma la maggior parte viene ancora prodotta con il processo Haber–Bosch secolare, che consuma grandi quantità di combustibili fossili e rilascia significative emissioni di anidride carbonica. Allo stesso tempo, l’inquinamento da nitrati derivante da fertilizzanti e scarichi industriali minaccia fiumi, laghi e acqua potabile. Questo studio esplora un modo per affrontare entrambi i problemi contemporaneamente: usare elettricità per trasformare direttamente i nitrati in acqua alcalina in ammoniaca, sfruttando l’energia in modo più efficiente e mantenendo i costi competitivi rispetto agli impianti chimici attuali.

Perché ammoniaca e nitrati sono importanti

L’ammoniaca nutre miliardi di persone tramite i fertilizzanti e serve anche come potenziale combustibile pulito e materia prima industriale. La via di produzione standard, però, rappresenta una quota notevole delle emissioni di carbonio e del consumo energetico globale. Il nitrato, invece, è un contaminante comune nelle acque reflue e nel deflusso agricolo. Dispositivi elettrochimici alimentati da elettricità rinnovabile possono, in linea di principio, convertire il nitrato nuovamente in ammoniaca, chiudendo il ciclo dell’azoto. I sistemi esistenti sono già in grado di produrre ammoniaca a ritmi impressionanti, ma spesso sprecano energia e faticano a competere in termini di costo con gli impianti Haber–Bosch.

Un nuovo catalizzatore che si comporta come un enzima

I ricercatori hanno progettato un catalizzatore solido speciale composto da argento e rutenio organizzati in una struttura porosa tridimensionale. Al microscopio, l’argento forma una struttura a spugna ricca di piccole cavità, mentre il rutenio ricopre le superfici interne come uno strato ultrafine. Questa disposizione imita il modo in cui gli enzimi guidano le molecole attraverso canali stretti rivestiti da siti attivi diversi. In questo caso, le molecole di nitrato incontrano prima le regioni di argento che asportano ossigeno e convertono il nitrato in nitrito, per poi spostarsi verso le regioni vicine di rutenio dove vengono ulteriormente idrogenate fino ad ammoniaca. Il team ha dimostrato che argento e rutenio rimangono come fasi metalliche separate molto vicine tra loro, piuttosto che mescolarsi in un’unica lega, caratteristica cruciale per i loro ruoli complementari.

Usare l’idrogeno nascosto per una conversione efficiente

Un’idea centrale del lavoro è sfruttare una forma sottile di idrogeno che aderisce alle superfici metalliche a potenziali più positivi rispetto a quelli che normalmente producono gas idrogeno. Questo idrogeno “a sottopotenziale” funziona come una riserva pronta di protoni sulla superficie del rutenio, che possono essere ceduti direttamente al nitrito e ad altri intermedi di reazione senza sprecare energia nella formazione di bolle di idrogeno. Esperimenti e simulazioni al computer hanno rivelato che l’interazione elettronica tra argento e rutenio facilita la scissione dell’acqua sul rutenio, formando rapidamente questo idrogeno superficiale, mentre allo stesso tempo rafforza il legame dei gruppi ossidrilici superficiali. Questi gruppi ossidrilici aiutano a rimuovere l’idrogeno in eccesso ricostituendo l’acqua, mantenendo i siti di rutenio sufficientemente liberi perché nitrato e nitrito possano adsorbirsi e reagire.

Prestazioni in acqua pulita e in acque reflue

Quando testato in soluzione fortemente alcalina, il catalizzatore argento–rutenio ha raggiunto tassi di conversione da nitrato ad ammoniaca molto elevati e una selettività verso l’ammoniaca quasi perfetta su un’ampia gamma di concentrazioni di nitrato, da livelli traccia a alimentazioni concentrate. A tensioni applicate modeste, il sistema ha raggiunto un’efficienza energetica in mezza cella del 53,7 percento, valore vicino al riferimento stabilito dal processo Haber–Bosch, e ha mantenuto alte prestazioni anche in acque reflue simulate e reali complesse di tipo industriale. L’abbinamento del catodo riducente il nitrato con un anodo ossidante l’idrogeno in una cella a flusso ha permesso al dispositivo di funzionare a densità di corrente rilevanti per l’industria con bassa tensione totale di cella, talvolta con un piccolo output energetico netto quando le condizioni erano favorevoli.

Costi e impatto futuro

L’analisi economica indica che, con il nuovo catalizzatore e un progetto di cella assistita da idrogeno, il costo dell’ammoniaca prodotta elettrochimicamente potrebbe scendere sotto circa 1,15 dollari USA per chilogrammo, prezzo tipico per l’ammoniaca prodotta in modo convenzionale. Questo rimane valido su un’ampia gamma di correnti operative ed è sostenibile anche quando il nitrato viene raccolto da flussi di acque reflue e l’idrogeno proviene dal gas naturale, con o senza cattura del carbonio. Identificando come la forza del legame con l’ossigeno sul rutenio controlli l’uso dell’idrogeno superficiale e l’adsorbimento del nitrato, lo studio propone anche una linea guida pratica per progettare catalizzatori migliori. Per i non specialisti, il messaggio chiave è che potrebbe diventare possibile trasformare l’inquinamento da nitrati presenti nell’acqua in preziosa ammoniaca usando elettricità con un uso energetico e costi competitivi, aiutando a pulire l’ambiente e al contempo a fornire una sostanza chimica essenziale.

Citazione: 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

Parole chiave: riduzione del nitrato, sintesi dell’ammoniaca, elettrocatalizzatore, argento rutenio, trattamento delle acque reflue