O nitreto de lantânio carregado com níquel (LaN) permite a síntese de amônia estável e altamente eficiente. Vacâncias de nitrogênio são geradas em LaN com baixa energia de formação, e eficientemente ligam e ativam o N2. Crédito:Tokyo Tech
Amônia (NH 3 ) é um dos produtos químicos mais comumente produzidos em todo o mundo, devido ao seu uso como um ingrediente importante em uma ampla gama de processos de fabricação industrial. Por exemplo, é fundamental na produção de fertilizantes, e mais de 150 milhões de toneladas dela são aplicadas a cada ano para aumentar o rendimento de várias safras. A amônia é produzida naturalmente por muitos organismos vivos, mas sintetizando-o artificialmente usando nitrogênio (N 2 ) e hidrogênio (H 2 ) gases é um desafio porque a forte ligação entre os átomos de N é difícil de quebrar.
Embora seja um método para produzir NH 3 na escala industrial, chamado de processo Haber-Bosch, existe desde o início do século 20, a abordagem de melhor desempenho de hoje envolve o uso de rutênio, um metal caro e escasso, como catalisador para desencadear as reações necessárias. Recentemente, Prof Hideo Hosono e colegas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), Japão, desenvolveram uma nova estratégia para produzir NH 3 usando lantânio (La), um elemento muito mais abundante, em combinação com níquel (Ni).
Em seu jornal, publicado em Natureza , eles explicam como se inspiraram em um NH relatado anteriormente 3 catalisador de produção com a fórmula Co 3 Mo 3 N, que contém vacâncias de nitrogênio - locais onde a presença de um átomo de nitrogênio seria esperada, mas que estão realmente vazios. Essas vagas foram observadas para fazer o parcelamento de N 2 moléculas mais fáceis, que levou a equipe de Hosono a uma nova direção de exploração para um NH mais prontamente disponível e eficaz 3 catalisadores de síntese. Ele explica:"O papel crítico das vacâncias de nitrogênio em Co 3 Mo 3 N nos inspirou a considerar outros materiais contendo nitrogênio nos quais as vagas poderiam ser geradas facilmente como a base para novos catalisadores à base de Ni. "
O catalisador que desenvolveram consiste em cristais de LaN carregados com nanopartículas de Ni. O Ni dissocia H facilmente 2 em átomos de H. Assim, pré-tratamento do catalisador com H 2 prontamente gera átomos de H, que então reagem com os átomos de N na estrutura cristalina para formar NH 3 e criar N vagas no suporte LaN. Cada um desses locais vazios, em seguida, captura um átomo N de um N 2 molécula do gás nitrogênio de entrada, fazendo com que a ligação N-N da molécula enfraqueça. Outro átomo de H dissociado quebra a ligação N-N enfraquecida para produzir mais NH 3 , deixando um átomo N para trás para preencher a vaga original. Esses ciclos se repetem, gerando assim continuamente vacâncias de nitrogênio e sustentando o processo de síntese.
Este conceito de um catalisador de "local ativo duplo" revelou-se muito promissor. O desempenho do catalisador proposto excede em muito o dos catalisadores mais convencionais à base de cobalto e níquel e é comparável até mesmo àquele dos à base de rutênio:ele não apenas produz consistentemente altos rendimentos de amônia a temperatura e pressão moderadas, sua estrutura é mantida mesmo após 100 horas de reação contínua, demonstrando sua alta estabilidade.
Hosono diz, "Prevemos que nosso trabalho estimulará uma maior exploração de projetos de catalisadores que façam uso de elementos mais abundantes. Em particular, nossos resultados ilustram o potencial do uso de locais vazios em ciclos de reação e apontam para um novo conceito de design para catalisadores para síntese de amônia. "
A nova estratégia pode tornar a produção de amônia mais simples e acessível, facilitando assim uma infinidade de processos industriais significativos.
