Cerca de metade do nitrogênio em nossos corpos hoje vem de bactérias por meio da enzima nitrogenase, que converte, ou "conserta, "gás nitrogênio não reativo na atmosfera em uma forma que as plantas podem usar para o crescimento. A outra metade é produzida artificialmente por meio de um processo industrial de uso intensivo de energia desenvolvido há mais de 100 anos. Este processo, chamado Haber-Bosch (H-B) em homenagem aos dois químicos que o desenvolveram, produz amônia usando catalisadores à base de ferro para promover a reação do nitrogênio do ar e do hidrogênio derivado principalmente do metano. Por meio de outro processo químico (Ostwald), a amônia é oxidada (reage com o oxigênio) para produzir ácido nítrico - um ingrediente fertilizante chave.

Enquanto o processo H-B revolucionou nossa capacidade de cultivar alimentos, é amplamente impulsionado pelo uso de combustíveis fósseis, consumindo cerca de dois por cento da energia global. Também contribui maciçamente para as emissões de gases de efeito estufa, liberando 2% do dióxido de carbono global.

Um roteiro para a pesquisa química do nitrogênio

Encontrar rotas mais ecológicas e ecológicas para transformar o nitrogênio exigirá o desenvolvimento de novos catalisadores para acelerar as reações químicas e fontes de energia renováveis ​​para conduzir essas reações. Em outubro de 2016, o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA (DOE) patrocinou um workshop de dois dias para cientistas de laboratórios nacionais e universitários com experiência relevante para enfocar os desafios e oportunidades da ativação de nitrogênio. Um artigo de revisão, principalmente com base em apresentações e discussões deste workshop, foi publicado em 25 de maio na revista Ciência .

"O artigo fornece um roteiro para pesquisas fundamentais sobre reações de transformação de nitrogênio, "disse o primeiro e co-autor Jingguang Chen, um químico sênior do Laboratório Nacional de Brookhaven do DOE e o Professor Thayer Lindsley de Engenharia Química da Universidade de Columbia. "Muitas dessas reações podem ocorrer em condições relativamente suaves - sem as altas temperaturas ou pressões exigidas em H-B - mas o desafio é identificar catalisadores que são ativos, seletivo, e estável. "Chen; autor co-correspondente Richard Crooks, a cadeira Robert A. Welch em Química de Materiais na Universidade do Texas em Austin; e Lance Seefeldt, professor do Departamento de Química e Bioquímica da Universidade Estadual de Utah, propôs o tema em conjunto e co-presidiu o workshop.

A pesquisa sobre rotas alternativas para a transformação do nitrogênio sem o uso de combustíveis fósseis como fonte de energia começa com uma análise da termodinâmica. Para que o gás nitrogênio seja reduzido ou oxidado, a ligação tripla muito estável que mantém firmemente os dois átomos de nitrogênio juntos deve ser quebrada.

"Antes de tentar encontrar novos catalisadores com as propriedades adequadas, precisamos determinar se as vias de reação das rotas alternativas são energeticamente viáveis, "explicou o co-autor e químico do Brookhaven Lab, Sergei Lymar." Existem muitas rotas termodinamicamente viáveis, mas eles têm sido amplamente negligenciados nos últimos 100 anos porque o H-B tem sido muito bem-sucedido. Embora não haja garantia de que seremos capazes de executar essas reações em grande escala, os cálculos termodinâmicos nos fornecem um ponto de partida a partir do qual podemos selecionar materiais catalíticos em potencial. "

Possíveis rotas para transformar nitrogênio

O artigo da Science descreve vários processos alternativos para transformações oxidativas e redutivas de nitrogênio. Do lado da redução, uma possibilidade é substituir o metano por água como fonte de hidrogênio no processo H-B. Um catalisador pode dividir a água em hidrogênio e oxigênio, usando energia gerada por painéis solares ou turbinas eólicas. Outra ideia é eliminar o processo H-B completamente, em vez disso, produzindo amônia diretamente em células eletroquímicas com eletrocatalisadores ou fotocatalisadores (materiais responsivos à luz) nos eletrodos. As células podem ser alimentadas por energia renovável ou mesmo por bactérias fixadoras de nitrogênio.

"As transformações eletroquímicas são intrinsecamente limpas, "disse Crooks." Mas a quantidade limitada de pesquisa que tem sido direcionada para a eletroquímica do nitrogênio realmente nem mesmo estabeleceu uma direção clara para investigações futuras. "

Os cientistas também estão tentando entender como a nitrogenase funciona em baixas temperaturas e pressões e sem gás hidrogênio. Se eles podem imitar a função desta enzima, eles poderiam projetar novos catalisadores de redução de nitrogênio molecular que operassem em condições menos severas do que as de H-B.

Essas abordagens sustentáveis ​​permitiriam que a amônia fosse produzida de forma distribuída, em vez de por meio das instalações H-B centralizadas atualmente em funcionamento. Essa produção distribuída é especialmente importante nos países em desenvolvimento que estão enfrentando um rápido crescimento populacional, mas não têm capital suficiente para construir grandes fábricas de produtos químicos e infraestrutura para transportar fertilizantes. Se os painéis solares forem instalados perto de campos agrícolas, por exemplo, a energia da luz solar pode criar os elétrons energéticos necessários para reduzir o nitrogênio a amônia, se os catalisadores apropriados estiverem disponíveis.

Do lado da oxidação, os cientistas estão investigando a reação direta entre o nitrogênio e o oxigênio para produzir ácido nítrico. Quase todas as 50 milhões de toneladas de ácido nítrico produzidas anualmente são fabricadas indiretamente por meio do processo de Ostwald, pela oxidação da amônia gerada pelo H-B.

"A forma atual como o ácido nítrico é produzido é meio que retrógrada do ponto de vista do fluxo de elétrons, "disse Lymar." Primeiro, o nitrogênio é reduzido até a amônia e, em seguida, a amônia é oxidada até o ácido nítrico, abrangendo todos os oito estados de oxidação do nitrogênio. Seria mais prático oxidar diretamente o nitrogênio com oxigênio, mas essa reação se torna espontânea apenas em temperaturas extremas. "

Uma ideia para superar esse problema é oxidar o nitrogênio em baixa temperatura, plasmas não térmicos - gases fracamente ionizados que contêm elétrons energéticos "quentes" e moléculas próximas à temperatura ambiente, átomos, e íons. Por moléculas de nitrogênio vibracionalmente excitantes, plasmas não térmicos podem ajudar os catalisadores a acelerar a reação de oxidação.

O artigo também descreve abordagens para reduzir os óxidos de nitrogênio poluentes do ar. Esses gases são produzidos quando o nitrogênio e o oxigênio reagem durante a combustão. O escapamento de veículos é uma importante fonte de óxidos de nitrogênio, que contribuem para a formação de smog e chuva ácida. Certas bactérias têm enzimas que reduzem os óxidos de nitrogênio a gás nitrogênio, e essas bactérias desnitrificantes provavelmente serão uma fonte de inspiração para cientistas que buscam projetar novos catalisadores para a proteção ambiental.

"O progresso em qualquer uma dessas áreas exigirá uma compreensão em nível molecular das reações de transformação natural e artificial do nitrogênio, "disse Chen." O objetivo deste artigo é fornecer orientações para a pesquisa básica, esperançosamente levando ao desenvolvimento de rotas de baixa energia para manipular os estados redox do nitrogênio. "