Estudo apresenta uma maneira mais limpa de produzir amônia em temperatura e pressão ambientes
Polly Arnold, Diretora da Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab, com Matt Hernandez, um estudante de pós-graduação pesquisador. Hernandez está usando um porta-luvas no laboratório onde a pesquisa sobre amônia foi conduzida. Crédito:Thor Swift/Berkeley Lab A amônia é o ponto de partida para os fertilizantes que garantiram o abastecimento alimentar mundial durante o último século. É também um componente principal dos produtos de limpeza e é até considerado um futuro substituto livre de carbono para os combustíveis fósseis nos veículos.
Mas sintetizar amônia a partir do nitrogênio molecular é um processo industrial que consome muita energia, devido às altas temperaturas e pressões nas quais a reação padrão ocorre. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) agora têm uma nova maneira de produzir amônia que funciona em temperatura e pressão ambientes.
Desde 1909, o padrão industrial para a síntese de amônia envolve a conversão de nitrogênio molecular (dinitrogênio, N2 ) por meio de uma reação com gás hidrogênio usando catalisadores à base de metal, conhecido como processo Haber-Bosch. Polly Arnold, cientista sênior e diretora da Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab, descobriu que, em vez disso, catalisadores feitos de abundantes metais de terras raras podem facilitar essa reação à temperatura ambiente.
"Ninguém esperava que metais de terras raras fizessem esta reação. Eles expandiram nosso arsenal de potenciais catalisadores para condições ambientais", diz Arnold, que também é professor de química na UC Berkeley.
Os metais de terras raras são os elementos brancos prateados, macios e pesados que constituem todos os metais não radioativos do grupo na parte inferior da tabela periódica e têm atraído muito interesse para aplicações em eletrônica, lasers e materiais magnéticos. .
"Apesar do nome, os metais de terras raras não são realmente raros", disse Anthony Wong, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Arnold na UC Berkeley e afiliado da Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab e autor principal do artigo em Chem Catalysis que descreve o trabalho. “Alguns são quase tão comuns como o cobre, e os seus sais são menos tóxicos do que os metais que já são utilizados na catálise”, acrescentou.
O que é interessante sobre os metais de terras raras, de uma perspectiva fundamental, é que eles têm um conjunto de elétrons adicionais que seus equivalentes de metais de transição não possuem. Isto lhes confere propriedades optomagnéticas interessantes – mas os químicos não entendem completamente se e como os elétrons podem ser usados em reações. Examinar reações envolvendo metais de terras raras é uma ferramenta atraente para compreender suas estruturas eletrônicas e como suas estruturas podem ser aplicadas a novas reatividades.
Uma cavidade feita de metais de terras raras ligados, como zircônio e titânio, pode converter nitrogênio molecular (N2) abundante em compostos de nitrogênio úteis, incluindo amônia ou tris(silil)aminas em temperatura ambiente. Crédito:Amy Kynman/Berkeley Lab
Sabe-se que as terras raras se ligam ao nitrogênio molecular desde a década de 1990. No entanto, até agora, os pesquisadores não foram capazes de usá-los para criar produtos químicos funcionalizados com nitrogênio, como amônia ou aminas, cataliticamente a partir do N2. .
Wong, Arnold e seus colegas desenvolveram compostos que uniam dois metais de terras raras com ligações simples feitas de fenolatos baseados em um antioxidante simples amplamente utilizado em alimentos. A estrutura resultante formou uma cavidade retangular.
O nitrogênio molecular que se difundiu na cavidade formou ligações com os metais em cada extremidade, o que ativa o gás. Então, elétrons introduzidos na cavidade a partir de uma fonte de potássio atacaram o nitrogênio ativado, quebrando suas ligações. Em todas as suas formas padrão, o nitrogênio convertido forma três ligações covalentes com átomos de hidrogênio ou outros reagentes, resultando em amônia ou aminas simétricas.
“Nossos catalisadores ativam e retêm o dinitrogênio, enquanto diferentes reagentes entram e reagem para formar produtos diferentes”, disse Arnold. Ela pretende usar eletrodos em vez do reagente de potássio como fonte de elétrons, já que estes podem ser renováveis se derivarem de células solares, por exemplo.
A seguir, os cientistas explorarão como usar terras raras para sintetizar produtos adicionais contendo nitrogênio, ajustando a forma e o tamanho da cavidade em forma de caixa de correio. "Nosso próximo passo é explorar e compreender quais propriedades dos metais de terras raras impactam a química", disse Wong.
O novo processo não irá substituir o generalizado processo industrial Haber-Bosch. A produção global de amônia tem girado em torno de 200 milhões de toneladas métricas anualmente desde 2020, e as ferramentas existentes são otimizadas e extremamente eficientes em grande escala. Mas o processo consome cerca de 2% da energia mundial e cria desigualdades geográficas na disponibilidade de amônia.
“Isso não é justiça alimentar”, disse Arnold. Wong acrescentou:“Precisamos de melhores formas de produzir amônia que consumam menos energia e possam ser conduzidas em temperaturas e pressões ambientes para ajudar na segurança alimentar e energética”. A sua tecnologia patenteada poderia levar fertilizantes e produtos de azoto quimicamente específicos para regiões sem gasodutos, e a um custo muito mais baixo.
Algumas dessas pesquisas foram conduzidas na Advanced Light Source, uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência localizada no Berkeley Lab.
