As perovskitas são uma classe de materiais sintéticos que possuem uma estrutura cristalina semelhante à do titanato de cálcio mineral que ocorre naturalmente. Eles têm sido objeto de muitos estudos porque exibem propriedades excitantes e únicas que podem ser ajustadas de acordo com sua composição. Uma de suas aplicações potenciais é como catalisadores para a síntese de amônia. Em outras palavras, perovskitas específicas podem ser colocadas dentro de uma câmara de reação com nitrogênio e hidrogênio para promover a reação desses gases para formar amônia.

A amônia é uma substância útil que pode ser empregada na produção de fertilizantes e produtos químicos artificiais, e até mesmo como um transportador de energia limpa na forma de hidrogênio, que podem ser fundamentais em tecnologias amigas do ambiente. Contudo, existem vários desafios associados à síntese da própria amônia e perovskitas.

A taxa de síntese de amônia é geralmente limitada pela alta energia necessária para dissociar as moléculas de nitrogênio. Alguns pesquisadores tiveram algum sucesso usando metais preciosos como o rutênio. Recentemente, perovskitas com alguns de seus átomos de oxigênio substituídos por hidrogênio e íons de nitrogênio foram desenvolvidos como catalisadores eficientes para a síntese de amônia. Contudo, a síntese tradicional de perovskitas com tais substituições geralmente deve ser realizada em alta temperatura (acima de 800 graus Celsius) e por longos períodos de tempo (semanas).

Para resolver esses problemas, em um estudo recente realizado na Tokyo Tech, um grupo de pesquisadores liderado pelo Prof. Masaaki Kitano desenvolveu um novo método para a síntese em baixa temperatura de uma dessas perovskita substituída por oxigênio com o nome químico BaCeO _3-x N _y H _z e testou seu desempenho como catalisador para a produção de amônia. Para alcançar isto, eles fizeram uma alteração inovadora no processo de síntese de perovskita. O uso de carbonato de bário e dióxido de cério como precursores envolve uma temperatura muito alta, que é necessário combiná-los na perovskita base, ou BaCeO ₃ , porque o carbonato de bário é muito estável. Além disso, é necessário substituir os átomos de oxigênio por íons de nitrogênio e hidrogênio. Por outro lado, a equipe descobriu que o composto de amida de bário reage facilmente com dióxido de cério sob o fluxo de gás de amônia para formar diretamente BaCeO _3-x N _y H _z em baixas temperaturas e em menos tempo. "Esta é a primeira demonstração de uma síntese ascendente de tal material, referido como oxinitreto-hidreto do tipo perovskita, "explica o Prof. Kitano.

Os pesquisadores primeiro analisaram a estrutura da perovskita obtida por meio do processo proposto e, em seguida, testaram suas propriedades catalíticas para a síntese de amônia em baixa temperatura sob várias condições. Não só o material proposto superou a maioria dos concorrentes de última geração quando combinado com rutênio, mas também superou amplamente todos eles quando combinado com metais mais baratos, como cobalto e ferro. Isso representa enormes vantagens em termos de desempenho e custo associado.

Finalmente, os pesquisadores tentaram elucidar os mecanismos por trás da taxa de síntese aprimorada de amônia. Geral, a visão fornecida neste estudo serve como um protocolo para a síntese de outros tipos de materiais com substituições de íons de nitrogênio e hidrogênio e para o design inteligente de catalisadores. "Nossos resultados abrirão o caminho para novas estratégias de projeto de catalisador para a síntese de amônia em baixa temperatura, "conclui o Prof. Kitano. Esperamos que essas descobertas tornem a síntese de materiais úteis mais limpa e mais eficiente em termos de energia.

O estudo está publicado no Journal of American Chemical Society .