p A maior parte do fertilizante do mundo é produzida em grandes fábricas, que requerem grandes quantidades de energia para gerar as altas temperaturas e pressões necessárias para combinar nitrogênio e hidrogênio em amônia. p Os engenheiros químicos do MIT estão trabalhando para desenvolver uma alternativa em menor escala, que eles imaginam poderia ser usado para produzir fertilizantes localmente para agricultores em áreas remotas, áreas rurais, como a África Subsaariana. Muitas vezes é difícil obter fertilizantes nessas áreas devido ao custo de transporte das grandes instalações de manufatura.

p Em um passo em direção a esse tipo de produção em pequena escala, a equipe de pesquisa desenvolveu uma maneira de combinar hidrogênio e nitrogênio usando corrente elétrica para gerar um catalisador de lítio, onde a reação ocorre.

p "No futuro, se imaginarmos como queremos que isso seja usado algum dia, queremos um dispositivo que pode respirar o ar, tome água, ter um painel solar conectado a ele, e ser capaz de produzir amônia. Isso pode ser usado por um fazendeiro ou uma pequena comunidade de fazendeiros, "diz Karthish Manthiram, professor assistente de engenharia química no MIT e autor sênior do estudo.

p O estudante de graduação Nikifar Lazouski é o autor principal do artigo, que aparece hoje em Catálise Natural . Outros autores incluem alunos de pós-graduação Minju Chung e Kindle Williams, e graduação Michal Gala.

p Escala menor

p Por mais de 100 anos, fertilizante foi fabricado usando o processo Haber-Bosch, que combina nitrogênio atmosférico com gás hidrogênio para formar amônia. O gás hidrogênio usado para esse processo geralmente é obtido do metano derivado do gás natural ou de outros combustíveis fósseis. O nitrogênio é muito não reativo, portanto, altas temperaturas (500 graus Celsius) e pressões (200 atmosferas) são necessárias para fazê-lo reagir com o hidrogênio para formar amônia.

p Usando este processo, fábricas podem produzir milhares de toneladas de amônia por dia, mas são caros para operar e emitem uma grande quantidade de dióxido de carbono. Entre todos os produtos químicos produzidos em grande volume, a amônia é o maior contribuinte para as emissões de gases de efeito estufa.

p A equipe do MIT decidiu desenvolver um método de fabricação alternativo que pudesse reduzir essas emissões, com o benefício adicional da produção descentralizada. Em muitas partes do mundo, há pouca infraestrutura para distribuição de fertilizantes, tornando caro a obtenção de fertilizantes nessas regiões.

p "A característica ideal de um método de próxima geração de produção de amônia seria que ela fosse distribuída. Em outras palavras, você poderia fazer essa amônia perto de onde você precisa, "Manthiram diz." E idealmente, também eliminaria o CO ₂ pegada que de outra forma existe. "

p Embora o processo Haber-Bosch use calor e pressão extremos para forçar o nitrogênio e o hidrogênio a reagir, a equipe do MIT decidiu tentar usar eletricidade para obter o mesmo efeito. Pesquisas anteriores mostraram que a aplicação de voltagem elétrica pode alterar o equilíbrio da reação de modo que favoreça a formação de amônia. Contudo, tem sido difícil fazer isso de forma econômica e sustentável, dizem os pesquisadores.

p A maioria dos esforços anteriores para realizar essa reação sob temperaturas e pressões normais usaram um catalisador de lítio para quebrar a forte ligação tripla encontrada nas moléculas de gás nitrogênio. O produto resultante, nitreto de lítio, pode então reagir com átomos de hidrogênio de um solvente orgânico para produzir amônia. Contudo, o solvente normalmente usado, tetrahidrofurano, ou THF, é caro e é consumido pela reação, portanto, ele precisa ser continuamente substituído.

p A equipe do MIT descobriu uma maneira de usar gás hidrogênio em vez de THF como fonte de átomos de hidrogênio. Eles projetaram um eletrodo semelhante a uma rede que permite que o gás nitrogênio se difunda através dele e interaja com o hidrogênio, que é dissolvido em etanol, na superfície do eletrodo.

p Este aço inoxidável, estrutura de malha é revestida com o catalisador de lítio, produzido por plaqueamento de íons de lítio da solução. O nitrogênio gasoso se difunde pela malha e é convertido em amônia por meio de uma série de etapas de reação mediadas pelo lítio. Esta configuração permite que o hidrogênio e o nitrogênio reajam a taxas relativamente altas, apesar do fato de que geralmente não são muito solúveis em quaisquer líquidos, o que torna mais desafiador reagir a taxas elevadas.

p "Este pano de aço inoxidável é uma forma muito eficaz de entrar em contato com o gás nitrogênio com nosso catalisador, além de ter as conexões elétricas e iônicas necessárias, "Lazouski diz.

p Dividindo a água

p Na maioria de seus experimentos de produção de amônia, os pesquisadores usaram gases de nitrogênio e hidrogênio fluindo de um cilindro de gás. Contudo, eles também mostraram que poderiam usar água como fonte de hidrogênio, eletrolisando primeiro a água e depois fluindo esse hidrogênio para o reator eletroquímico.

p O sistema geral é pequeno o suficiente para sentar em uma bancada de laboratório, mas poderia ser ampliado para produzir maiores quantidades de amônia conectando muitos módulos, Lazouski diz. Outro desafio importante será melhorar a eficiência energética da reação, que agora é de apenas 2 por cento, em comparação com 50 a 80 por cento para a reação de Haber-Bosch.

p "Temos uma reação geral que finalmente parece favorável, o que é um grande passo à frente, "diz ele." Mas sabemos que ainda há um problema de perda de energia que precisa ser resolvido. Essa será uma das principais coisas que queremos abordar no trabalho futuro que realizaremos. "

p Além de servir como método de produção para pequenos lotes de fertilizantes, esta abordagem também pode servir para armazenamento de energia, Diz Manthiram. Esta ideia, que agora está sendo perseguido por alguns cientistas, exige o uso de eletricidade produzida por energia eólica ou solar para gerar energia para a geração de amônia. A amônia poderia então servir como um combustível líquido que seria relativamente fácil de armazenar e transportar.

p "A amônia é uma molécula tão crítica que pode ter muitos chapéus diferentes, e este mesmo método de produção de amônia pode ser usado em aplicações muito diversas, "Diz Manthiram. p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.