A solução para um mistério de materiais de 75 anos pode um dia permitir que os agricultores de países em desenvolvimento produzam seu próprio fertilizante sob demanda, usando a luz do sol e o nitrogênio do ar.

Graças a uma fonte especializada de raios-X do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia confirmaram a existência de uma longa hipótese de interação entre nitrogênio e dióxido de titânio (TiO ₂ ) - um material fotoativo comum também conhecido como titânia - na presença de luz. Acredita-se que a reação catalítica use átomos de carbono encontrados como contaminantes na titânia.

Se a reação de fixação de nitrogênio puder ser ampliada, pode um dia ajudar a impulsionar a produção de fertilizantes em escala agrícola limpa, o que reduziria a dependência de instalações de produção centralizadas de capital intensivo e sistemas de distribuição caros que aumentam os custos para os agricultores em áreas isoladas do mundo. A maior parte do fertilizante do mundo agora é feita com amônia produzida pelo processo Haber-Bosch, que requer grandes quantidades de gás natural.

"Nos Estados Unidos, temos um excelente sistema de produção e distribuição de fertilizantes. Contudo, muitos países não têm recursos para construir fábricas Haber-Bosch, e pode até não ter infraestrutura de transporte adequada para importar fertilizantes. Para essas regiões, a fixação fotocatalítica de nitrogênio pode ser útil para a produção de fertilizantes sob demanda, "disse Marta Hatzell, professor assistente na Woodruff School of Mechanical Engineering da Georgia Tech. "Em última análise, este pode ser um processo de baixo custo que pode disponibilizar nutrientes à base de fertilizantes para uma gama mais ampla de agricultores. "

Hatzell e seu colaborador Andrew Medford, professor assistente na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech, estão trabalhando com cientistas do International Fertilizer Development Center (IFDC) para estudar os impactos potenciais do processo de reação. A pesquisa foi relatada em 29 de outubro no Jornal da American Chemical Society .

A pesquisa começou há mais de dois anos quando Hatzell e Medford começaram a colaborar em um mistério de materiais que se originou com um artigo de 1941 publicado por Seshacharyulu Dhar, um cientista indiano do solo que relatou ter observado um aumento na amônia emitida pelo composto submetido à luz. Dhar sugeriu que uma reação fotocatalítica com minerais no composto poderia ser responsável pela amônia.

Desde aquele jornal, outros pesquisadores relataram a fixação de nitrogênio na produção de titânia e amônia, mas os resultados não foram confirmados experimentalmente de forma consistente.

Medford, um teórico, trabalhou com o assistente de pesquisa de graduação Benjamin Comer para modelar as vias químicas que seriam necessárias para fixar o nitrogênio na titânia para potencialmente criar amônia usando reações adicionais. Os cálculos sugeriram que o processo proposto era altamente improvável em titânia pura, e os pesquisadores não conseguiram uma bolsa que se propuseram usar para estudar o misterioso processo. Contudo, eles receberam tempo experimental na Fonte de Luz Avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA, o que lhes permitiu finalmente testar um componente-chave da hipótese.

O equipamento especializado no laboratório permitiu que Hatzell e o estudante de graduação Yu-Hsuan Liu usassem a espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) para examinar a superfície da titânia como nitrogênio, água e oxigênio interagiam com as superfícies sob pressão quase ambiente no escuro e na luz. Inicialmente, os pesquisadores não viram nenhuma fixação fotoquímica de nitrogênio, mas conforme os experimentos continuaram, eles observaram uma interação única entre nitrogênio e titânia quando a luz foi direcionada para a superfície dos minerais.

O que foi responsável pela falta de resultados inicial? Hatzell e Medford acreditam que a contaminação da superfície com carbono - provavelmente de um hidrocarboneto - é uma parte necessária do processo catalítico para redução de nitrogênio no titânia. "Antes do teste, as amostras são limpas para remover quase todo o traço de carbono da superfície, no entanto, durante os experimentos, o carbono de várias fontes (gases e a câmara de vácuo) pode introduzir vestígios de carbono de volta na amostra, Hatzell explicou:"O que observamos foi que as espécies reduzidas de nitrogênio só foram detectadas se houvesse um grau de carbono na amostra."

A hipótese de contaminação por hidrocarbonetos explicaria por que pesquisas anteriores forneceram resultados inconsistentes. O carbono está sempre presente em níveis de traço na titânia, mas obter a quantidade e o tipo corretos pode ser a chave para fazer a reação hipotética funcionar.

"Achamos que isso explica os resultados intrigantes que foram relatados na literatura, e esperamos que forneça insights sobre como criar novos catalisadores usando esse mistério de 75 anos, "Medford disse." Freqüentemente, os melhores catalisadores são materiais muito puros e feitos em uma sala limpa. Aqui você tem exatamente o oposto - essa reação realmente precisa das impurezas, o que pode ser benéfico para aplicações sustentáveis ​​na agricultura. "

Os pesquisadores esperam confirmar experimentalmente o papel do carbono com os próximos testes no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), o que lhes permitirá sondar diretamente o carbono durante o processo de fixação fotocatalítica de nitrogênio. Eles também esperam aprender mais sobre o mecanismo catalítico para que possam controlar melhor a reação para melhorar a eficiência, que atualmente é menos de um por cento.

A pesquisa relatada na revista não mediu amônia, mas Hatzell e seus alunos já o detectaram em testes de escala de laboratório. Como a amônia é produzida atualmente em níveis tão baixos, os pesquisadores tiveram que tomar precauções para evitar a contaminação à base de amônia. "Mesmo a fita usada no equipamento pode criar pequenas quantidades de amônia que podem afetar as medições, "Medford acrescentou.

Embora as quantidades de amônia produzida pela reação sejam atualmente baixas, Hatzell e Medford acreditam que, com melhorias de processo, as vantagens da produção local de fertilizantes em condições benignas poderiam superar essa limitação.

"Embora possa parecer ridículo à primeira vista, de uma perspectiva prática, se você realmente olhar para as necessidades do problema e o fato de que a luz do sol e o nitrogênio do ar são gratuitos, com base no custo, começa a parecer mais interessante, "Medford disse." Se você pudesse operar uma instalação de produção de amônia em pequena escala com capacidade suficiente para uma fazenda, você imediatamente fez a diferença. "

Hatzell credita a ciência de superfície de ponta por finalmente fornecer uma explicação para o mistério.

"Uma vez que os investigadores anteriores analisaram isso, houve avanços significativos na área de medição e ciências de superfície, ", disse ela." A maioria das medições da ciência de superfície requerem o uso de condições de ultra-alto vácuo que não imitam o ambiente catalítico que você pretende investigar. O XPS próximo à pressão ambiente no laboratório Lawrence Berkeley National, nos permitiu dar um passo mais perto de observar essa reação em seu ambiente nativo. "