Amônia, um composto sintetizado pela primeira vez há cerca de um século, tem dezenas de usos modernos e se tornou essencial na fabricação do fertilizante que agora sustenta a maior parte de nossa produção global de alimentos.

Mas embora estejamos produzindo amônia em grande escala desde 1930, ele foi realizado principalmente em grandes fábricas de produtos químicos que requerem grandes quantidades de gás hidrogênio de combustíveis fósseis - tornando a amônia um dos produtos químicos de maior consumo de energia entre todos os produtos químicos de grande volume.

Dois pesquisadores da Case Western Reserve University - um especialista em síntese eletroquímica, o outro em aplicações de plasmas - estão trabalhando para consertar isso.

Os pesquisadores Julie Renner e Mohan Sankaran descobriram uma nova maneira de criar amônia a partir de nitrogênio e água em baixa temperatura e baixa pressão. Eles fizeram isso com sucesso até agora em um laboratório sem usar hidrogênio ou o catalisador de metal sólido necessário nos processos tradicionais.

"Nossa abordagem - um processo eletrolítico com plasma - é completamente nova, "disse Mohan Sankaran, Professor Goodrich de Inovação em Engenharia da Case School of Engineering.

Plasmas, muitas vezes referido como o quarto estado da matéria (além do sólido, líquido ou gás), são nuvens ionizadas de gás, consistindo em íons positivos e elétrons livres, que lhe conferem a capacidade única de ativar ligações químicas, incluindo a molécula de nitrogênio bastante desafiadora, à temperatura ambiente.

Renner, um Professor Assistente do Climo no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, acrescentou que, porque este novo processo não precisa de alta pressão ou alta temperatura ou hidrogênio, torna-o escalável - "o tipo ideal de tecnologia para uma planta muito menor, um com alto potencial para ser alimentado por energia renovável. "

Os resultados de sua colaboração de dois anos foram publicados este mês na revista. Avanços da Ciência .

Lição de história:O processo Haber-Bosch

Praticamente toda a amônia comercial é feita de nitrogênio e hidrogênio, usando um catalisador de ferro em alta temperatura e pressão.

O físico-químico alemão Fritz Haber recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1918 por desenvolver este processo, o que tornou a fabricação de amônia economicamente viável.

Mas o processo se tornou mais lucrativo economicamente quando o químico industrial Carl Bosch (que também ganhou o Prêmio Nobel em 1931) trouxe o método para um sistema em grande escala. O processo foi ainda impulsionado por uma segunda inovação:o desenvolvimento da reforma do metano a vapor que tornou o hidrogênio mais acessível e menos caro.

Então, o que ficou conhecido como processo Haber-Bosch tornou-se o método global de fixação de nitrogênio e hidrogênio para produzir amônia.

Mas Haber-Bosch nunca foi a única abordagem para a fixação de nitrogênio, foi apenas o vencedor da virada do século.

Um novo, antigo método surge

Renner e Sankaran ressuscitaram um elemento de um método norueguês pouco conhecido que antecedeu o Haber-Bosch (o processo Birkeland-Eyde), que reagia com nitrogênio e oxigênio para produzir nitratos, outro produto químico que pode ser usado na agricultura. Esse processo perdeu para Haber-Bosch principalmente porque exigia ainda mais energia na forma de eletricidade, um recurso limitado no início do século XX.

"Nossa abordagem é semelhante à síntese eletrolítica de amônia, que tem ganhado interesse como alternativa ao Haber-Bosch porque pode ser integrado com energia renovável, "Sankaran disse." No entanto, como o processo Birkeland-Eyde, usamos um plasma, que consome muita energia. Eletricidade ainda é uma barreira, mas menos agora, e com o aumento das energias renováveis, pode não ser uma barreira no futuro.

"E talvez o mais significativo, nosso processo não produz gás hidrogênio, ", disse ele." Este tem sido o principal gargalo de outras abordagens eletrolíticas para formar amônia a partir da água (e nitrogênio), a indesejável formação de hidrogênio. "

O processo Renner-Sankaran também não usa um catalisador de metal sólido que poderia ser uma das razões pelas quais a amônia é obtida em vez de hidrogênio.

"Em nosso sistema, a amônia é formada na interface de um plasma de gás e a superfície da água líquida e se forma livremente em solução, "Sankaran disse.

Até aqui, os "lotes de mesa" de amônia produzidos pela dupla têm sido muito pequenos e a eficiência energética ainda é menor do que Haber-Bosch. Mas com a otimização contínua, sua descoberta e desenvolvimento de um novo processo poderia algum dia levar a menores, plantas de amônia mais localizadas que usam energia verde.