A adição de átomos de cobalto para preencher as vagas nos cristais de dissulfeto de molibdênio 2D aumenta a capacidade do material de catalisar a amônia do dinitrogênio. Os cientistas da Rice University desenvolveram um método "verde" para a síntese em pequena escala de amônia que usa menos energia e produz menos dióxido de carbono do que os processos industriais. Crédito:Lou Group / Rice University
Os pesquisadores da Rice University desenvolveram um método inorgânico para sintetizar amônia que é amigo do ambiente e pode produzir o produto químico valioso sob demanda nas condições ambientais.
O laboratório de engenharia da Brown School of Engineering, cientista de materiais Jun Lou, manipulou um cristal bidimensional que ele entende bem - dissulfeto de molibdênio - e o transformou em um catalisador removendo átomos de enxofre da estrutura em forma de rede e substituindo o molibdênio exposto por cobalto.
Isso permitiu que o material imitasse o processo orgânico natural que as bactérias usam para transformar o dinitrogênio atmosférico em amônia nos organismos, incluindo em humanos, que usam amônia para ajudar a função hepática.
O processo inorgânico permitirá que a amônia seja produzida em qualquer lugar que seja necessária como um adjunto em pequena escala para a indústria, que produz milhões de toneladas do produto químico a cada ano por meio do processo inorgânico Haber-Bosch.
A pesquisa é descrita no Jornal da American Chemical Society .
“O processo Haber-Bosch produz muito dióxido de carbono e consome muita energia, "disse o co-autor e estudante de pós-graduação da Rice Xiaoyin Tian." Mas nosso processo usa eletricidade para acionar o catalisador. Podemos conseguir isso com energia solar ou eólica. "
Os pesquisadores já sabiam que o dissulfeto de molibdênio tinha afinidade para se ligar ao dinitrogênio, uma molécula de ocorrência natural de dois átomos de nitrogênio fortemente ligados que forma cerca de 78% da atmosfera da Terra.
Imagens microscópicas mostram dissulfeto de molibdênio dopado com cobalto cultivado em um tecido de carbono. A imagem do microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução à direita revela as nanofolhas dopadas, que facilitam a catálise eletroquímica eficiente da amônia. O processo foi desenvolvido para uso em pequena escala por cientistas de materiais da Rice University. Crédito:Lou Group / Rice University
Simulações computacionais por Mingjie Liu, um associado de pesquisa no Laboratório Nacional de Brookhaven, mostraram que a substituição de alguns átomos de molibdênio expostos por cobalto aumentaria a capacidade do composto de facilitar a redução do dinitrogênio em amônia.
Os testes de laboratório na Rice mostraram que sim. Os pesquisadores reuniram amostras do material em nanoescala cultivando cristais de dissulfeto de molibdênio defeituosos em tecido de carbono e adicionando cobalto. (Os cristais são tecnicamente 2-D, mas aparecem como um plano de átomos de molibdênio com camadas de enxofre acima e abaixo.) Com a corrente aplicada, o composto rendeu mais de 10 gramas de amônia por hora usando 1 quilograma de catalisador.
Xiaoyin Tian, estudante de pós-graduação da Rice University, deixou, e o pesquisador de pós-doutorado Jing Zhang liderou o esforço para desenvolver um catalisador inorgânico para amônia baseado em dopado, dissulfeto de molibdênio bidimensional. Crédito:Lou Group / Rice University
“A escala não é comparável a processos industriais bem desenvolvidos, mas pode ser uma alternativa em casos específicos, "disse o co-autor principal Jing Zhang, um pesquisador de pós-doutorado na Rice. “Vai permitir a produção de amônia onde não há planta industrial, e até mesmo em aplicações espaciais. "Ele disse que os experimentos de laboratório usaram alimentações dedicadas de dinitrogênio, mas a plataforma pode facilmente puxá-lo do ar.
Lou disse que outros dopantes podem permitir que o material catalise outros produtos químicos, um tópico para estudos futuros. "Achamos que havia uma oportunidade aqui de pegar algo com o qual estamos muito familiarizados e tentar fazer o que a natureza tem feito há bilhões de anos, "disse ele." Se projetarmos um reator da maneira certa, a plataforma pode realizar sua função sem interrupção. "
