O fertilizante sintético à base de nitrogênio forma a espinha dorsal do suprimento mundial de alimentos, mas sua fabricação requer uma enorme quantidade de energia. Agora, a modelagem por computador na Universidade de Princeton aponta para um método que poderia cortar drasticamente a energia necessária usando a luz solar no processo de fabricação.

Os fabricantes atualmente fazem fertilizantes, produtos farmacêuticos e outros produtos químicos industriais, puxando o nitrogênio do ar e combinando-o com o hidrogênio. O gás nitrogênio é abundante, constituindo cerca de 78 por cento do ar. Mas o nitrogênio atmosférico é difícil de usar porque está preso em pares de átomos, chamado N ₂ , e a ligação entre esses dois átomos é a segunda mais forte da natureza. Portanto, é preciso muita energia para dividir o N ₂ molécula e permitir que os átomos de nitrogênio e hidrogênio se combinem. A maioria dos fabricantes usa o processo Haber-Bosch, uma técnica centenária que expõe o N ₂ e hidrogênio a um catalisador de ferro em uma câmara aquecida a mais de 400 graus Celsius. O método usa tanta energia que Ciência A revista relatou que a fabricação de fertilizantes e compostos semelhantes representa cerca de 2% do uso mundial de energia a cada ano.

Uma equipe de pesquisa liderada por Emily Carter, Reitor de Engenharia de Princeton e Professor Gerhard R. Andlinger em Energia e Meio Ambiente, queria saber se seria possível usar a luz para enfraquecer a ligação na molécula de nitrogênio atmosférico. Se então, permitiria aos fabricantes cortar radicalmente a energia necessária para dividir o nitrogênio para uso em fertilizantes e em uma ampla gama de outros produtos.

"Aproveitando a energia da luz solar para ativar moléculas inertes como o nitrogênio, e gases de efeito estufa metano e dióxido de carbono para esse assunto, é um grande desafio para a produção química sustentável, "disse Carter, que é professor de engenharia mecânica e aeroespacial e de matemática aplicada e computacional. "Substituindo a alta temperatura tradicional com uso intensivo de energia, fabricação de produtos químicos de alta pressão com acionamento solar, processos à temperatura ambiente é outra maneira de diminuir nossa dependência de combustíveis fósseis. "

Os pesquisadores estavam interessados ​​em tirar proveito do comportamento único da luz quando ela interage com nanoestruturas metálicas menores do que um único comprimento de onda de luz. Entre outros efeitos, o fenomeno, chamada ressonância de plasma de superfície, pode concentrar a luz e aumentar os campos elétricos. Dr. John Mark Martirez, um pesquisador de pós-doutorado e membro da equipe de pesquisa de Princeton, disse que os pesquisadores acreditavam que seria possível usar ressonâncias de plasmon para aumentar o poder de um catalisador para separar moléculas de nitrogênio.

"É um método diferente de entrega de energia para quebrar o vínculo, "disse ele." Em vez de usar calor, estamos usando luz. "

Em um artigo de 5 de janeiro na revista Avanços da Ciência , os pesquisadores descrevem como usaram simulações de computador para modelar o comportamento da luz em estruturas minúsculas feitas de ouro e molibdênio. O ouro faz parte de uma classe de metais, incluindo cobre e alumínio, que pode ser moldado para produzir ressonâncias de plasmão de superfície. Os pesquisadores usaram um conjunto de ferramentas de modelagem computacional para simular nanoestruturas feitas de ouro, e adicionado molibdênio à sua superfície, que é um metal que pode dividir as moléculas de nitrogênio.

"O metal plasmônico atua como um pára-raios, "Martirez disse." Ele concentra uma grande quantidade de energia luminosa em uma área muito pequena. "

A energia luminosa concentrada aumenta efetivamente a capacidade do molibdênio de separar os dois átomos de nitrogênio.

"A interação da luz amplia o campo elétrico próximo à superfície do catalisador, o que ajuda a quebrar o vínculo, "Martirez disse.

Os cálculos dos pesquisadores indicam que a técnica de ressonância de plasmon deve ser capaz de reduzir substancialmente a energia necessária para quebrar as moléculas de nitrogênio atmosférico. Carter disse que a modelagem indica que deve ser possível dissociar a molécula de nitrogênio em temperatura ambiente e em pressões mais baixas do que o exigido pelo processo Haber-Bosch.

Simular o processo ao mesmo tempo em que considera o efeito da luz foi um desafio. A maioria dos modelos de computador que podem avaliar com precisão as reações químicas em nível molecular, e levar em conta as mudanças induzidas pela luz, só pode simular alguns átomos de cada vez. Embora isso seja cientificamente valioso, geralmente não é suficiente para avaliar processos industriais.

Então, os pesquisadores se voltaram para uma técnica originalmente desenvolvida por Carter que permite aos cientistas usar métodos altamente precisos para modelar um pequeno fragmento da superfície e, em seguida, estender esses resultados para obter uma compreensão de um sistema mais amplo. A tecnica, chamada de teoria da função de onda correlacionada incorporada, foi verificada repetidamente e amplamente usada dentro do grupo Carter, e os pesquisadores estão confiantes em sua aplicação ao problema de divisão de nitrogênio.

Carter disse que sua equipe está colaborando com Naomi Hallas e Peter Nordlander, da Rice University, para testar a técnica de ressonância de plasmon em laboratório. Os pesquisadores trabalharam juntos em projetos semelhantes no passado, incluindo a demonstração da dissociação de moléculas de hidrogênio em nanopartículas de ouro puro.

Como uma próxima etapa, Carter disse que gostaria de estender a técnica de ressonância de plasmon a outras ligações químicas fortes. Um candidato é a ligação carbono-hidrogênio no metano. Os fabricantes usam gás natural para fornecer o hidrogênio em fertilizantes, bem como outros produtos químicos industriais importantes. Portanto, encontrar um método de baixa energia para quebrar essa ligação também pode ser uma vantagem para a manufatura.