p Amônia (NH ₃ ) é um incolor, composto gasoso e solúvel em água utilizado em diversos setores, incluindo agricultura, o setor de energia, e uma variedade de indústrias. Por mais de um século, a principal forma de produção de grandes quantidades de amônia tem sido por meio do processo Haber-Bosch, que envolve o uso de alta pressão para produzir uma reação química que permite a síntese direta de amônia a partir de hidrogênio e nitrogênio. p Enquanto o processo Haber-Bosch permite a produção em massa de amônia, é conhecido por ser prejudicial para os humanos e para o meio ambiente, pois envolve o consumo de combustíveis fósseis e, assim, agrava o efeito estufa. Devido a esses efeitos indesejáveis, pesquisadores têm buscado métodos alternativos para a produção de amônia via N ₂ −H ₂ O reações químicas em condições ambientais, alguns dos quais utilizam fontes de energia renováveis.

p Algumas dessas novas técnicas para a produção de amônia são eficazes e relativamente baratas. Apesar disso, eles normalmente só permitiam que os pesquisadores produzissem quantidades limitadas de amônia e exibiam uma seletividade pobre, devido à ligação N≡N inerte e a solubilidade ultrabaixa de N ₂ na água.

p Pesquisadores da South China University of Technology e do Argonne National Laboratory desenvolveram recentemente uma nova estratégia eletroquímica para produzir amônia por meio da redução de nitrato. Seu método, introduzido em um artigo publicado em Nature Energy , é baseado no uso de um catalisador sólido molecular de cobre.

p "Obtendo NH ₃ diretamente de não-N ₂ sources é considerada uma estratégia revolucionária para lidar com as preocupações associadas aos processos anteriores de produção de amônia, "Haihui Wang, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Na busca por alternativas contendo nitrogênio além do N ₂ para sintetizar NH ₃ , o ânion nitrato (NO ₃ ^- ) se destaca pelo fato de que a menor energia de dissociação da ligação N =O (204 kJ mol ^-1 ) em comparação com a ligação tripla N-N (941 kJ mol ^-1 ), e o enriquecimento de NÃO ₃ ^- nos recursos hídricos causou poluição ambiental e ameaça a saúde humana. "

p Convertendo seletivamente NÃO ₃ ^- para NH ₃ sob condições ambientais e em um H ₂ O sistema baseado em O pode ser uma alternativa mais ecológica para a produção em massa de NH ₃ . Esta conversão alternativa aliviaria os problemas ambientais associados aos métodos atuais para a produção de amônia em grande escala, ao mesmo tempo que diminui o consumo de energia.

p "Convertendo NÃO ₃ ^- em NH ₃ está longe de ser uma tarefa fácil, uma vez que requer uma reação de transferência de oito elétrons, bem como um potencial de reação ligeiramente inferior (ou seja, 1,20 V versus o eletrodo de hidrogênio reversível ou RHE) do que a conversão de cinco elétrons de NO ₃ ^- tonelada ₂ (1,25 V contra RHE), "Wang explicou." Vários sistemas eletrocatalíticos com diferentes catalisadores heterogêneos (como Cu, Ag, Au, e assim por diante) foram propostas no passado, mas a maioria deles tende a produzir N ₂ via redução de cinco elétrons de NO ₃ ^- em vez da desejada redução de oito elétrons. "

p O potencial prático de conversão de NÃO ₃ ^- para NH ₃ está abaixo do que é conhecido como potencial de reação de evolução de hidrogênio (HER), o que leva à geração de H ₂ . Isso pode reduzir a eficiência geral da produção de NH ₃ .

p Em seu estudo, Wang e seus colegas conseguiram a redução direta de oito elétrons de NO ₃ ^- para NH _3, catalisado por 3 cristalino incorporado com Cu, 4, 9, Dianidrido 10-perilenotetracarboxílico (PTCDA) com uma barreira de baixa energia. O catalisador que eles usaram exibiu uma alta taxa de rendimento e excelente seletividade, efetivamente suprimindo ELA.

p “Fizemos uma triagem de catalisadores com a preparação de uma série de metais incorporados no PTCDA, como Cu, Ag, Au, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Bi, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Mo, La e Ce, "Wang explicou." Descobrimos que o alto desempenho do nosso catalisador pode ser atribuído à configuração eletrônica única do Cu 3 d orbital mostrando sobreposição aumentada com nitrato O 2 p orbitais para melhorar a transferência de carga, bem como a estrutura do PTCDA, que ajuda a regular a transferência de prótons e elétrons para os centros de Cu ativos e, em seguida, a inibir HER e promover a ligação H-N. "

p O método eletroquímico introduzido por Wang e seus colegas pode enfrentar os desafios atualmente associados à massa NH ₃ Produção. Nos testes iniciais, este método alcançou eficiências Faradaicas entre 60% e 86% e NH ₃ taxas de produção entre aproximadamente 400 e 900 μg h ^-1 cm ^-2 em potenciais aplicados de -0,4 a -0,6 V versus RHE.

p Os resultados são significativamente melhores do que aqueles obtidos usando outros métodos para a redução eletroquímica de N ₂ para NH ₃ . Por exemplo, métodos mediados por lítio, que são os mais conhecidos por atingir taxas de rendimento relativamente altas na eletrorredução de N ₂ -para-NH ₃ , atingiu uma taxa de produção inferior a 36 μg h ^-1 cm.

p The recent study by Wang and his colleagues also opens up new possibilities for the recycling of nitrogen (NO ₃ ^- ) in wastewater. For several years, NÃO ₃ ^- was considered to be a toxic water contaminant and was usually transferred into gaseous nitrogen and returned to the air. Estudos recentes, Contudo, suggest that the high amount of nitrogen in wastewater could in fact be recycled for fertilization.

p "The total nitrogen discharged into the water per year is 14.5 ± 3.1 million tons in China, which is about 50% of the annual consumption of synthetic nitrogen (300.5 million tons in 2016), " Wang said. "In 2016, the United States planted 94 million acres of corn, using about 8.9 billion kilograms of nitrogen annually, which accounts for 40% of the annual nitrogen use in the United States. Contudo, it is worth noting that 2.4 billion kilograms of nitrogen is available in wastewater each year. The statistics prove that nitrogen in wastewaters could be a valuable resource."

p In addition to allowing the large-scale production of ammonia in ways that are more environmentally friendly, the recent work by Wang and his colleagues could pave the way toward the development of wastewater management systems with nitrogen conversion capabilities. These systems would enable the recycling of large quantities of nitrogen, ultimately optimizing the use of global resources and protecting the environment.

p While the results are promising, the researchers still need to overcome two technical challenges before their method can be applied in real-world settings. These challenges will be the main focus of their next set of studies.

p "Por um lado, our future studies will be aimed at enhancing the catalyst's structure to further improve its long-term stability, " Wang said. "In this work, the NH ₃ yield rate decreased from 337.8 μg h ^-1 cm ^-2 to 140.3 μg h ^-1 cm ^-2 after 15 hours, after which it was substantially stable and maintained an NH ₃ yield rate of 130.8 μg h ^-1 cm ^-2 after 40 hours. Por outro lado, we will work on the large-scale application of NH ₃ electrosynthesis, developing an electric-driving flow device for the direct and continuous mass production of high-purity liquid ammonia or ammonium salt. We plan to devise a simple method for the direct purification and collection of the products, which removes the need for additional purification, transportation and other procedures." p © 2020 Science X Network