Como um fotocatalisador pode converter nitrogênio em amônia usando água e luz? Com colaboração internacional, pesquisadores da China e de Cingapura investigaram a engenharia de ponta de fotocatalisadores para fixação de nitrogênio (N2) para compreender a síntese de amônia (NH3). O trabalho foi relatado em Horizontes de materiais .

N2 é um dos gases mais abundantes na Terra, compreendendo 78 por cento da atmosfera. No entanto, O N2 no estado gasoso não pode ser utilizado de forma eficiente pela maioria dos organismos. Portanto, O N2 deve ser "fixado" para torná-lo útil, quebrando as ligações triplas N≡N ultra-fortes para transformá-lo em uma forma que possa ser consumida pelas plantas, animais e seres humanos. A data, existem dois métodos típicos para realizar a fixação de N2. Um é um processo natural e bacteriano, e outro, o processo Haber-Bosch, é sintético. Nos últimos 100 anos, a conversão de N2 levou à produção em grande escala de fertilizantes e sustentou o suprimento de alimentos para a população global.

"O processo Haber-Bosch utiliza altas temperaturas e pressões, necessitando assim de uma grande quantidade (cerca de 2 por cento) do suprimento de combustível fóssil do mundo. Portanto, prevemos que um processo alternativo empregando nanomateriais que absorvem a energia da luz para imitar a fotossíntese natural nas plantas poderia servir como uma mudança de paradigma para a fixação de nitrogênio, "disse o Dr. Wee-Jun Ong, um cientista pesquisador do Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais (IMRE).

"Comparado ao processo catalítico termoquímico, a fotossíntese artificial é considerada uma rota sustentável no armazenamento de energia solar renovável na forma de produtos químicos com alta densidade energética, "Ong disse." A reação termodinâmica não espontânea pode ser alcançada através de uma combinação de divisão de água e redução de N2 em um fotocatalisador na presença de luz solar, " ele explicou.

Em um artigo recente publicado em Horizontes de materiais , Ong e seus colegas apresentam um relatório de progresso da fixação fotocatalítica de N2, que é gerado naturalmente pela ação de micróbios. "Classificamos os fotocatalisadores com base nas composições químicas que variam de óxido de metal a sulfeto de metal, oxihaletos de bismuto, nanomateriais carbonosos e outros materiais potenciais. Destacamos a importância e a relação entre a modificação, por exemplo, design de nanoarquitetura, engenharia de faceta de cristal, doping, e heteroestruturação - e influências na atividade fotocatalítica dos catalisadores projetados, "observa Xingzhu Chen, o primeiro autor do artigo, quem resume as descobertas.

"A julgar pela literatura existente nesta plataforma de pesquisa neste momento, catalisadores auxiliados por computador projetados por meio de cálculos químicos quânticos para a fotofixação de N2 seriam uma ferramenta robusta para simular estados eletrônicos e vias de reação em direção à absorção de luz solar excelente e o desempenho seletivo da catálise, "Ong disse.

Embora existam muitos fatores que impedem a clivagem e hidrogenação do N2 no momento, as condições de reação tornaram-se mais amenas com o passar dos anos - o ar e a luz visível foram gradualmente adotados como nitrogênio e fonte de luz em vez de nitrogênio puro e irradiação ultravioleta (UV). Contudo, os insights sobre o mecanismo de reação fotocatalítica têm sido inadequados até agora, apesar da complexidade da reação de fixação de N2. "Técnicas avançadas de caracterização in situ ou operando são necessárias para examinar os insights atômicos na reatividade, bem como para compreender a dinâmica do portador de carga no estado excitado, "Ong disse.

Qual é o próximo? Os pesquisadores esperam traduzir do nível de escala de laboratório para aplicações industriais, e amplificar o rendimento de catalisadores, mantendo as estruturas intrínsecas para a comercialização de amônia renovável.

Dr. Ong disse, "Olhando para as perspectivas de longo prazo, estamos certos de que nosso trabalho fornecerá uma base importante para a próxima era de pesquisa, não apenas na fixação fotocatalítica de N2, especificamente, mas também nos campos interdisciplinares da química, Ciência de materiais, conversão e armazenamento de energia. "

Além da fixação de N2 movida a energia solar, Dr. Ong, O Prof. Li e suas equipes têm buscado o design inteligente de fotocatalisadores que possam tornar a divisão de H2O e a redução de CO2 mais eficazes e sustentáveis ​​por meio da energia solar por meio de análises experimentais e computacionais. O trabalho na conversão de combustíveis solares em energia está em andamento.