Mais de 100 anos após a introdução do processo Haber-Bosch, os cientistas continuam a procurar rotas alternativas de produção de amônia que demandem menos energia. Cientistas chineses descobriram agora que o fósforo preto é um excelente catalisador para a eletrorredução de nitrogênio em amônia. De acordo com seu estudo publicado na revista Angewandte Chemie , nanofolhas de fósforo preto em camadas são um catalisador altamente seletivo e eficiente neste processo.

A amônia é uma matéria-prima essencial em todas as áreas industriais, da agricultura à química fina e à indústria farmacêutica. Por mais de um século, foi sintetizado industrialmente pelo processo Haber-Bosch, em que o nitrogênio do ar é reduzido com hidrogênio ou gás de síntese sob alta pressão e temperatura sobre um catalisador de metal de transição. Contudo, a demanda de energia desse processo é tão alta que um a dois por cento do suprimento global de energia é dedicado à produção industrial de amônia.

Os pesquisadores estão em busca de alternativas mais brandas, que empregam catalisadores que operam em condições ambientais. Alternativas sem metal são especialmente desejáveis. Um candidato altamente interessante é o fósforo em sua reatividade mais baixa, forma não tóxica:fósforo preto. Este material é uma estrela em ascensão em aplicações eletrônicas devido à sua aparência metálica e propriedades eletrônicas incomuns. Além disso, sua estrutura em forma de folha bidimensional enrugada pode fornecer as bordas e locais necessários para adsorção e ativação molecular.

Com essa ideia em mente, pesquisador Haihui Wang da South China University of Technology, Guangzhou, China, e colegas, preparou camadas finas de fósforo negro a granel, "por um método de esfoliação líquida fácil, "conforme declarado em sua publicação. As nanofolhas de catalisador foram incluídas em um eletrodo de fibra de carbono para eletrólise. Para fornecer um suprimento de nitrogênio, uma solução de eletrólito de cloridrato foi saturada com nitrogênio.

Na aplicação de uma tensão, o eletrodo prontamente e seletivamente produzia amônia a partir do nitrogênio, e o fósforo preto em camadas superou até mesmo "a maioria dos catalisadores não metálicos e à base de metal relatados no momento, "acrescentam os autores. A extraordinária atividade e seletividade deste material são explicadas pela estrutura e energética das folhas de fósforo.

O que há de tão especial no fósforo? Com cálculos teóricos, os autores descobriram que o arranjo em ziguezague nas camadas de fósforo, em contraste com outros materiais planos ou em camadas, forneceram locais ideais para adsorção de nitrogênio e a estrutura eletrônica nas bordas foi mais adequada para ligação, ativando, e reduzir o nitrogênio por uma via de baixa energia.

Tendo explicado a extraordinária atividade e seletividade do catalisador de fósforo preto em camadas, os autores admitiram que - apesar da estabilidade geralmente boa do fósforo preto em condições ambientais - seu desempenho diminuiu a longo prazo por causa da oxidação. "Assim, outras melhorias na prevenção da degradação do fósforo preto no eletrólito serão benéficas, "concluíram.

Este trabalho abre uma nova e atraente aplicação para o fósforo preto. Na redução eletrocatalítica de nitrogênio, o desempenho do fósforo preto é superior a outros catalisadores não metálicos e até mesmo metálicos, sugerindo que este material pode em breve desempenhar um papel maior na eletrocatálise. Em tempo, talvez até o processo Haber-Bosch tenha um concorrente.