La Universidad Loyola investiga materiales para la producción sostenible de fertilizantes e hidrógeno verde

La Universidad Loyola avanza en el desarrollo de nuevos materiales que podrían ayudar a producir amoníaco verde en condiciones suaves de presión y temperatura. El amoníaco es una molécula esencial para fabricar fertilizantes y numerosos productos químicos. También se estudia como una forma de almacenar y transportar hidrógeno renovable. Sin embargo, su producción industrial actual tiene un elevado consumo energético y parte de combustibles fósiles como materia prima.

Un estudio cuyo primer autor es el investigador de la Universidad Loyola Javier Arroyo publicado en la revista International Journal of Hydrogen Energy demuestra el gran potencial de catalizadores basados en rutenio soportado sobre soluciones sólidas de ceria dopada con lantano, con energías de activación significativamente menores que otros catalizadores de última generación. Este resultado abre una vía para avanzar hacia sistemas de producción más eficientes, flexibles y compatibles con el hidrógeno verde.

Un catalizador puede entenderse como una ayuda química: no es el producto final, pero facilita que una reacción ocurra. En este caso, el reto consiste en lograr que el nitrógeno del aire y el hidrógeno se combinen para formar amoníaco sin necesidad de recurrir a condiciones tan exigentes como las del proceso Haber-Bosch convencional, que suele requerir temperaturas (400-600 ºC) y presiones elevadas (200-300 bar).

Una pieza clave para descarbonizar la industria

El proceso Haber-Bosch permitió producir fertilizantes a gran escala y transformó la agricultura mundial. Pero también exige mucha energía. Por eso, uno de los grandes desafíos de la química actual consiste en mantener la capacidad de producir amoníaco, pero reduciendo su impacto climático.

El catalizador desarrollado en este trabajo, denominado Ru/Ce0.5La0.5Oy, combina rutenio con un soporte formado por óxidos de cerio y lantano. Su estructura ayuda a dispersar mejor el rutenio y genera pequeños defectos, conocidos como vacantes de oxígeno, que favorecen la reacción. Dicho de forma sencilla, el material crea un entorno más adecuado para que el nitrógeno y el hidrógeno reaccionen con menor dificultad.

El estudio muestra que esta combinación alcanza una elevada actividad a 400 ºC y presión atmosférica, con una energía de activación aparente muy baja. Este indicador refleja la energía mínima necesaria para que la reacción avance. Cuanto menor es, más fácil resulta que el proceso ocurra. Además, el catalizador responde de forma favorable al aumento de presión en rangos moderados, próximos a los que pueden ofrecer tecnologías asociadas al hidrógeno verde.

Amoníaco verde producido cerca de donde se necesita

La aplicación más relevante de esta línea de investigación está en el futuro desarrollo de plantas más pequeñas y descentralizadas de amoníaco verde. En lugar de depender exclusivamente de grandes instalaciones industriales, estos sistemas podrían integrarse con parques solares o eólicos y utilizar hidrógeno producido por electrólisis del agua.

Este resultado se complementa con una revisión científica publicada en la portada de la revista Molecules, en la que también Javier Arroyo junto con Juan Carlos Serrano de la Universidad Loyola y José María Abelleira de la Universidad de Cádiz analizan el papel de los catalizadores de átomo único en la síntesis de amoníaco a baja temperatura.

Estos catalizadores representan una de las estrategias más avanzadas en el diseño de materiales. En lugar de utilizar partículas metálicas grandes, se distribuyen los átomos activos de forma aislada sobre una superficie. Esto permite modular el ambiente electrónico y los entornos de coordinación para maximizar el potencial de cada átomo del metal y controlar con más precisión el lugar donde ocurre la reacción.

La revisión señala que estos materiales pueden cambiar la forma en que el nitrógeno se activa durante la producción de amoníaco. En algunos casos, esta modificación puede reducir barreras energéticas y evitar problemas habituales, como el bloqueo de los sitios activos por exceso de hidrógeno (envenenamiento por hidrógeno). Aunque aún no son una solución industrial madura, ofrecen pistas valiosas para diseñar catalizadores más eficientes y sostenibles.

Hidrógeno verde más fiable

La producción de amoníaco verde depende también de disponer de hidrógeno renovable de forma eficiente y segura. En esta línea, otro estudio publicado por el investigador Anderson Sandoval en International Journal of Hydrogen Energy propone utilizar medidas de conductividad en línea para detectar la degradación de membranas en electrolizadores PEM, una de las tecnologías más prometedoras para producir hidrógeno mediante electricidad renovable.

Los electrolizadores PEM separan el agua en hidrógeno y oxígeno. Su buen funcionamiento depende en gran parte del estado de sus membranas internas. El trabajo demuestra que la conductividad del agua de salida puede servir como una señal rápida para estimar la degradación de la membrana. Esta herramienta de diagnóstico podría ayudar a alargar la vida útil de los equipos, reducir costes de mantenimiento y mejorar la fiabilidad de la producción de hidrógeno verde.

Una línea de investigación orientada a aplicaciones reales

Estas investigaciones forman parte de la línea de hidrógeno y química sostenible del Instituto de Investigación Loyola Energía, Tecnología y Sostenibilidad. Sus trabajos conectan materiales avanzados, hidrógeno renovable, catálisis y sostenibilidad industrial. El objetivo común es desarrollar conocimiento y tecnologías que ayuden a transformar sectores intensivos en energía, como la industria química, la producción de fertilizantes y los sistemas de almacenamiento energético.

En conjunto, estos tres estudios recientes abordan distintas partes de una misma cadena: producir hidrógeno verde de forma más fiable, utilizarlo para fabricar amoníaco con menor gasto energético y diseñar materiales capaces de hacer viable esa transición. Aunque todavía quedan retos científicos y tecnológicos por resolver, estos avances apuntan hacia un futuro en el que el amoníaco pueda producirse de manera más limpia, flexible y cercana a las necesidades reales de la sociedad.

Un máster para formar talento en hidrógeno

Esta apuesta investigadora se conecta también con la oferta formativa especializada de la Universidad Loyola en este ámbito. Loyola cuenta con el Máster Universitario en Energías y Tecnologías del Hidrógeno, un programa orientado a formar profesionales capaces de responder a los retos de la transición energética, la descarbonización industrial y el desarrollo de nuevas soluciones vinculadas al hidrógeno verde.

De este modo, Loyola refuerza su posicionamiento en un sector estratégico, combinando investigación aplicada, transferencia de conocimiento y formación avanzada para el impulso de tecnologías energéticas sostenibles.