Los investigadores de la EPFL han creado un catalizador de uranio que convierte el gas nitrógeno en amoníaco utilizando un método de unión único, lo que podría ofrecer información para una producción de fertilizantes más sostenible.
El amoníaco (NH₃) es vital para la agricultura, ya que constituye la base de los fertilizantes necesarios para alimentar a la población mundial. Actualmente, el amoníaco se produce principalmente mediante el proceso Haber-Bosch, que convierte el nitrógeno gaseoso (N₂) del aire en amoníaco. El problema es que este proceso requiere enormes cantidades de energía y genera importantes emisiones de gases.
Los científicos llevan mucho tiempo buscando formas más eficientes y respetuosas con el medio ambiente de producir amoníaco. La naturaleza lo hace eficazmente mediante enzimas llamadas nitrogenasas, pero replicar estos procesos biológicos a escala industrial ha resultado complicado.
“Todos los catalizadores moleculares desarrollados hasta la fecha suelen unir moléculas de nitrógeno (compuestas por dos átomos de nitrógeno enlazados) a un único centro metálico en una disposición lineal de extremo a extremo. Esto significa que una molécula de nitrógeno se une a un solo metal, a través de uno de sus dos átomos”, explica la profesora Marinella Mazzanti de la EPFL. “En cambio, la naturaleza utiliza un enfoque multimetálico, donde las moléculas de nitrógeno se unen a más de un metal. Se ha propuesto que el nitrógeno se une de forma lateral, lo que significa que ambos átomos de nitrógeno se unen a dos metales, lo que facilita la ruptura de sus fuertes enlaces”.
Inspirado en la naturaleza
Ahora, un equipo dirigido por Mazzanti ha desarrollado el primer catalizador molecular de uranio capaz de ligar nitrógeno gaseoso de forma similar y convertirlo en amoníaco. El trabajo revela una nueva vía catalítica que conecta la eficiencia biológica con la viabilidad industrial y abre la puerta a métodos de producción de amoníaco más sostenibles.
Los científicos construyeron una molécula especial utilizando uranio combinado con un ligando de triamidoamina, lo que produjo un complejo molecular capaz de retener el nitrógeno gaseoso (N₂) lateralmente. Posteriormente, redujeron progresivamente el nitrógeno gaseoso añadiendo electrones paso a paso, rompiendo el fuerte enlace entre los dos átomos de nitrógeno del gas. Los investigadores estudiaron y aislaron cuidadosamente varias etapas de este proceso de reducción, creando moléculas intermedias (formas de nitrógeno como N₂²⁻, N₂³⁻ y N₂⁴⁻) hasta que finalmente dividieron el nitrógeno completamente en dos iones de nitruro separados (N³⁻).
Una forma diferente de producir amoniaco de forma diferente
Sus experimentos demostraron que el complejo de uranio podía funcionar repetidamente en un ciclo, convirtiendo eficazmente el nitrógeno gaseoso en amoníaco varias veces; concretamente, hasta 8,8 equivalentes de amoníaco por catalizador de uranio. Esto demostró por primera vez que la unión lateral del nitrógeno —un modo de unión probable en las enzimas naturales— puede proporcionar una ruta viable para la producción de amoníaco.
El catalizador aclara pasos previamente desconocidos en la química de conversión de nitrógeno y muestra que el uranio, históricamente uno de los primeros metales utilizados industrialmente para producir amoníaco, aún tiene un potencial sin explotar.
Este descubrimiento proporciona información crucial sobre la química del nitrógeno y muestra cómo los sistemas basados en uranio pueden ofrecer nuevas vías para futuras tecnologías de producción de amoníaco.
Otros colaboradores
- Universidad de Manchester (Reino Unido)
- Universidad de Bretaña Occidental (Francia)
Fondos
Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)
Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido (EPSRC)
Escuela Politécnica Federal de Lausana
Universidad de Manchester
Laboratorio Nuclear Nacional del Reino Unido
Centro EPSRC de Formación de Doctorado en Catálisis Integrada
Referencias
Mikhail S. Batov, Heather T. Partlow, Lucile Chatelain, John A. Seed, Rosario Scopelliti, Ivica Zivkovic, Ralph W. Adams, Stephen T. Liddle, Marinella Mazzanti. Conversión catalítica y estequiométrica por etapas de dinitrógeno unido lateralmente a amoníaco mediada por un complejo de uranio. Nature Chemistry, 16 de julio de 2025. DOI: 10.1038/s41557-025-01867-z
EPFL News. N. P. Traducido al español
