Steven McIntosh quer transformar a forma como a amônia é produzida. Ele espera criar uma alternativa viável ao método convencional, que usa grandes quantidades de energia e emite dióxido de carbono prejudicial. Ele está explorando um método eletroquímico sustentável para conduzir com eficiência a reação química que produz amônia.

A amônia é um gás incolor feito de um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio. O Processo Haber-Bosch - criado pelos químicos alemães Fritz Haber e Carl Bosch no início do século 20 - é creditado por tornar possível a produção de alimentos em massa, já que o principal uso industrial da amônia é na agricultura como fertilizante.

O Processo Haber, como é amplamente conhecido, combina o nitrogênio do ar com o hidrogênio derivado do gás natural - composto principalmente de metano - em uma reação química que opera a uma pressão muito alta. Neste método convencional, ferro, o catalisador usado, facilmente "quebra" os átomos de hidrogênio. Contudo, uma grande quantidade de pressão é necessária para "empurrar" o nitrogênio para o catalisador e estimular a reação. Além disso, o processo de geração de hidrogênio a partir do metano emite grandes quantidades do gás de efeito estufa dióxido de carbono na atmosfera.

A fabricação de amônia consome 1 a 2% da energia global total e é responsável por aproximadamente 3% das emissões globais de dióxido de carbono.

Considerando a necessidade de aumento da produção de alimentos como resultado do crescimento populacional - 2 bilhões de pessoas serão adicionadas ao planeta até 2050 - é claro que um método sustentável de produção de amônia deve ser criado.

McIntosh coloca de forma mais sucinta:"O processo de produção de amônia é fundamental para a sobrevivência humana, não mudou em mais de cem anos e é um grande poluidor. É hora de mudar."

McIntosh, professor de engenharia química e biomolecular na Universidade de Lehigh, está explorando um método de produção de amônia que poderia estimular essa mudança usando eletricidade para impulsionar a reação química. Seu método eliminaria a necessidade de usar alta pressão para quebrar as ligações de nitrogênio. E, porque deriva hidrogênio da água em vez de gás natural, não haveria emissões de dióxido de carbono. Seu principal subproduto seria o oxigênio.

McIntosh recebeu recentemente uma bolsa de pesquisa colaborativa de três anos da National Science Foundation (NSF) para apoiar esta pesquisa. McIntosh liderará a equipe Lehigh como investigador principal em estreita colaboração com uma equipe da Universidade da Pensilvânia, Professores Raymond J. Gorte, John M. Vohs e Aleksandra Vojvodic.

Em uma mudança de paradigma transformador, McIntosh e seus colegas irão investigar um método de produção de amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio usando um condutor de prótons, cerâmica, célula eletroquímica de óxido sólido. Sua hipótese central é que a pressão atmosférica, A síntese de amônia pode ser realizada conduzindo eletroquimicamente o hidrogênio em superfícies catalíticas que são normalmente limitadas pela alta cobertura de nitreto.

"Pretendemos experimentar usando diferentes catalisadores, como tungstênio, que normalmente estaria coberto de nitrogênio, perturbando o equilíbrio de hidrogênio e nitrogênio que é necessário para que a reação ocorra, ", diz McIntosh." Vamos resolver esse desequilíbrio aplicando um potencial eletroquímico para conduzir o hidrogênio para a superfície do catalisador e formar amônia. "

O projeto aproveitará os métodos de infiltração desenvolvidos anteriormente para a síntese de eletrodos em células a combustível de óxido sólido, o que permite uma ampla gama de materiais a serem utilizados para os eletrodos. A equipe também irá explorar condutores protônicos eletrônicos mistos que podem ser adicionados ao eletrodo para melhorar o limite trifásico onde a reação eletroquímica pode ocorrer. A escolha dos eletrocatalisadores será orientada por estudos teóricos complementares.

McIntosh descreve o método proposto como o acréscimo de um "botão adicional" - eletricidade - ao processo de produção de amônia.

"Neste método, o hidrogênio virá da água, tornando-a uma espécie de 'célula de combustível reversa, 'diz McIntosh.

Uma célula de combustível combina hidrogênio e oxigênio para produzir água e, no processo, cria eletricidade. O reator proposto utilizará eletricidade para dividir a água para fornecer o hidrogênio necessário na síntese de amônia, eliminando a necessidade de consumir gás natural e emitir dióxido de carbono. Este projeto resultará em células de demonstração em pequena escala que separam os átomos de hidrogênio e oxigênio que constituem a água, usando o hidrogênio e emitindo o oxigênio.

De acordo com McIntosh, os pesquisadores tentaram métodos semelhantes de produção de amônia, mas foram capazes de produzir muito pouca amônia. Quando se trata de amônia, a capacidade de produzi-lo em escala industrial é o que importa.

É por isso que um dos principais objetivos do projeto é produzir uma taxa razoável de produção de amônia. Outro objetivo é demonstrar o que McIntosh diz ser a "modularidade" potencial dessa técnica.

Em última análise, essa nova forma de produzir amônia pode ser parte de um esforço maior para tornar a produção de alimentos mais verde e sustentável.

"A produção de amônia pelo método convencional requer uma grande fonte de energia, o que significa que ela deve ser feita em um único local e, em seguida, enviada - aumentando a ineficiência do método, "diz McIntosh." A esperança é que algum dia a amônia possa ser produzida no local usando uma célula modular como o tipo que estamos explorando, alimentado por uma fonte de eletricidade local, como painéis solares ou turbinas eólicas. "