L’Accordo di Parigi e il Green Deal hanno fissato il 2050 come data per la completa decarbonizzazione. In Europa, circa il 25% delle emissioni di anidride carbonica sono legate al settore industriale. Tra le varie attività, ce ne sono alcune particolarmente energivore e difficili da decarbonizzare come ferro/acciaio, cemento, etilene e ammoniaca. Quest'ultimo è l'elemento fondamentale per sintetizzare fertilizzanti azotati come l'urea, che è il fertilizzante più utilizzato al mondo. La produzione di ammoniaca si basa sul processo Haber Bosch, responsabile di oltre il 2% delle emissioni di anidride carbonica in tutto il mondo. Questa emissione deriva dall'utilizzo del metano per produrre idrogeno, un elemento costitutivo dell'ammoniaca. Ammoniaca e anidride carbonica sono quindi i due ingredienti principali per produrre urea utilizzando il processo sintetico Bosch Mesier. Elettrificare questo processo senza l’uso di combustibili fossili inquinanti è un percorso promettente per ridurre sostanzialmente le emissioni di anidride carbonica. È stato calcolato che la produzione elettrochimica dell'urea ridurrebbe del 35% l'energia utilizzata e del 50% l'anidride carbonica emessa.
Nella mini-review “Urea Electrochemical Production Using Carbon Dioxide and Nitrate: State of the Art and Perspectives” (doi: 10.1039/D4EE00561A) pubblicata sulla rivista Energy and Environmental Science (Royal Society of Chemistry Impact Factor 32.5, 2022 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2023)) viene presentata la sintesi elettrochimica dell'urea a partire da nitrato e anidride carbonica. Il nitrato è preferito rispetto ad azoto molecolare a causa della maggiore solubilità e della minore energia di dissociazione del legame di N=O rispetto a quella di N≡N. I primi risultati ottenuti sono presentati e sono molto promettenti, tuttavia, la bassa attività e la selettività rimangono ostacoli da superare. La letteratura recente, soprattutto negli ultimi tre anni viene discussa criticamente. I meccanismi di reazione dell'elettrosintesi dell'urea a partire da anidride carbonica e nitrato sono piuttosto complessi e dibattuti e, ad oggi, non è stato trovato un elettrocatalizzatore selettivo con durabilità operativa elevata. I progressi nell'elettrocatalisi relativa a questa reazione vengono presentati e discussi. Questa reazione coinvolge 16 elettroni e oltre 70 intermedi, pertanto è necessario un potente metodo di rilevamento per identificare l'urea ma anche per analizzare e quantificare gli intermedi di reazione. La combinazione dei metodi di rilevamento dell'urea in situ ed ex situ può certamente aiutare a svelare i meccanismi di reazione. Questa mini-review fornisce un'utile panoramica dei recenti risultati nella produzione elettrochimica dell'urea. Vengono evidenziati i limiti e le sfide e vengono discussi ulteriori passi per migliorare il livello di preparazione tecnologica di questa tecnologia.
Questo lavoro di mini-review è stato realizzato da Mohsin Muhyuddin, Giovanni Zuccante, Prof. Piercarlo Mustarelli e Prof. Carlo Santoro (Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università degli studi di Milano-Bicocca) in una collaborazione internazionale congiunta con Jonathan Filippi e Alessandro Lavacchi (CNR-ICCOM , Istituto per la chimica dei composti organometallici), Yu-Han Chen e il Prof. Plamen Atanassov (University of California Irvine) e il Prof. Lior Elbaz (Bar-Ilan Unviersity).