A busca por um método de produção de amônia para fertilizantes mais eficiente em termos de energia e ecologicamente correto levou à descoberta de um novo tipo de reação catalítica.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia usaram picos de carbono em nanoescala para catalisar uma reação que gera amônia a partir de nitrogênio e água, auxiliado por sal de lítio e a aplicação de um campo elétrico. O estudo, publicado em Avanços da Ciência , revela um tipo de catalisador que foi sugerido teoricamente, mas nunca demonstrado.

"É um catalisador que opera totalmente baseado no campo elétrico; isso nunca foi observado para o nitrogênio, "disse Adam Rondinone do ORNL, o principal autor do estudo. "Nós o chamamos de catalisador físico - normalmente um catalisador é químico."

Amônia, um composto feito de um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio, é normalmente produzido através da abordagem de uso intensivo de energia Haber-Bosch. Este processo usa alta temperatura e pressão para dividir as ligações estáveis ​​de nitrogênio molecular, requer grandes quantidades de gás natural. A produção industrial de amônia consome cerca de 3% da energia mundial e gera de 3 a 5% das emissões mundiais de gases de efeito estufa.

"A produção de amônia é um grande problema que precisamos encontrar maneiras de resolver, "Rondinone disse." Em busca desse objetivo, descobrimos um mecanismo de reação que nos dá um novo caminho. "

Ao contrário de Haber-Bosch, o processo da equipe ocorre à temperatura ambiente em solução de água, gás nitrogênio dissolvido e sal de perclorato de lítio, com a ajuda de um catalisador único na forma de pontas de carbono em nanoescala. Esses picos, apenas 50-80 nanômetros de comprimento e um nanômetro de largura na ponta, atuam como pontos quentes para amplificar o campo elétrico e atrair íons de lítio carregados positivamente. A hipótese é que o lítio arraste as moléculas de nitrogênio, que se concentram em torno dos picos de carbono eletrificados e começam a reagir para formar amônia.

"Todo catalisador normal opera formando uma ligação química entre a molécula reativa e a superfície do catalisador. Neste caso, não é necessária nenhuma ligação química. É simplesmente o alto campo elétrico que permite que a reação prossiga, "Disse Rondinone.

O baixo rendimento da reação - cerca de 12 por cento - limita sua viabilidade para uso industrial, mas a descoberta de sua eletroquímica única pode ajudar a desenvolver abordagens alternativas para a geração de amônia.

Os pesquisadores também usaram modelagem computacional e simulação para entender seus resultados experimentais. Eles calcularam previsões teóricas do campo elétrico, o enriquecimento de íons em torno dos picos de carbono e as energias orbitais moleculares do nitrogênio para descrever como as moléculas se desestabilizaram no campo elétrico.

"Devido às pontas afiadas dos nanospike, o campo elétrico local é realmente muito forte, na ordem de 10 volts por nanômetro, "disse o teórico do ORNL Jingsong Huang." Realizamos cálculos para estudar o potencial de ionização e a afinidade eletrônica do nitrogênio sob campos elétricos aplicados, e esses cálculos sugerem que o nitrogênio inerte torna-se reativo. "

O estudo foi publicado como "Um catalisador físico para a eletrólise do nitrogênio em amônia".

Os co-autores são a canção Yang de ORNL, Daniel Johnson, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Jingsong Huang, Arthur Baddorf, Timothy Tschaplinski, Nancy Engle, Zili Wu, David Cullen, Harry Meyer III, Bobby Sumpter e Adam Rondinone, Fengchang Yang, da Virginia Tech, Fei Zhang e Rui Qiao, e Marta Hatzell, da Georgia Tech.