Novo catalisador permite a produção de amônia com baixo consumo de energia para fertilizantes e combustíveis alternativos
Neste estudo, partículas metálicas ultrapequenas de molibdênio (Mo) foram usadas para ajudar a quebrar as ligações triplas entre os átomos de nitrogênio no gás nitrogênio (N2 ) em temperaturas e pressões inferiores às padrão, permitindo assim uma produção de amônia "mais verde" que requer menos energia. Crédito:RIKEN Pesquisadores liderados por Satoshi Kamiguchi, do Centro RIKEN para Ciência de Recursos Sustentáveis (CSRS), no Japão, descobriram uma maneira mais ecológica de produzir amônia, um composto essencial usado em fertilizantes.
O estudo, publicado na Chemical Science , descreve um novo catalisador que funciona de forma estável em temperaturas relativamente baixas, reduzindo assim a quantidade de energia e dinheiro necessários para sintetizar amônia. Dado que o amoníaco é uma excelente forma de armazenar hidrogénio de forma segura, bem como um excelente combustível alternativo por si só, esta descoberta tornará mais fácil a mudança dos combustíveis fósseis para uma economia de energia verde e neutra em carbono.
Os fertilizantes são uma forma de fornecer nitrogênio extra às plantas, o que as ajuda a crescer e aumenta o rendimento das colheitas. O nitrogênio nos fertilizantes vem da amônia, que é produzida pela quebra do hidrogênio (H2 ) e nitrogênio (N2 ) moléculas e unindo os elementos individuais em gás amônia (NH3 ) através do processo Haber-Bosch. A reação requer pressão e temperaturas extremamente altas e um catalisador de ferro.
A pressão e as temperaturas extremamente altas – cerca de 200 atm e 500°C (932°F) – necessárias para a reação requerem uma grande quantidade de energia. Como a amônia é amplamente utilizada em fertilizantes e outras indústrias, a produção mundial consome uma enorme quantidade de energia. Para ajudar a reduzir a pegada energética da amônia, os pesquisadores do RIKEN CSRS desenvolveram uma reação mais ecológica e energeticamente amigável que pode prosseguir de forma estável em temperaturas muito mais baixas sem ser desativada.
O maior obstáculo foi quebrar o gás nitrogênio porque existe uma forte ligação tripla entre os dois átomos de nitrogênio dentro de uma molécula de gás nitrogênio. “O truque era usar partículas ultrapequenas de metal molibdênio preparadas a partir de um aglomerado de haleto metálico molecular hexanuclear, que foi então ativado com gás hidrogênio”, diz Kamiguchi.
Uma vez ativados, vários átomos de molibdênio trabalham juntos para quebrar as fortes ligações nitrogênio-nitrogênio e impulsionar a síntese de amônia rapidamente. Quando testado, este novo método foi capaz de criar amônia a partir de gases nitrogênio e hidrogênio continuamente por mais de 500 horas a 200°C (392°F), reduzindo bastante a temperatura necessária ao usar o processo Haber-Bosch convencional.
Além de impactar a indústria de fertilizantes, a nova forma de produzir amônia poderia indiretamente ajudar a reduzir as emissões de carbono se o combustível de amônia fosse usado em todo o mundo. O combustível de amônia pode ser queimado diretamente em motores de combustão interna sem emitir CO2 , mas não se tornou uma alternativa prática devido ao processo Haber-Bosch de alta energia.
Uma das vantagens do novo método é que permitiria a produção de amônia com baixo consumo de energia, o que reduziria enormemente as emissões de carbono se o combustível de amônia fosse usado em larga escala.
Ao mesmo tempo que a amônia armazena nitrogênio para fertilizantes, também armazena hidrogênio. Isto o torna um transportador ideal para o hidrogênio, que alguns consideram a fonte ideal de energia. Quando o hidrogênio armazenado é necessário, ele pode ser liberado da amônia e usado como combustível sem emitir dióxido de carbono.
“Substituir o processo Haber-Bosch pelo nosso novo método deverá resultar numa poupança de energia a nível mundial”, afirma Kamiguchi. "Se o combustível de amônia e o hidrogênio forem usados em quantidades muito maiores, a redução enorme da energia necessária para sintetizar a amônia levará a uma redução de CO2 emissões e ajudar a prevenir um maior aquecimento global."
Um problema ainda permanece. O hidrogênio necessário para produzir amônia ainda é produzido usando combustíveis fósseis e, nas grandes quantidades necessárias, também levaria a uma tremenda emissão de CO2 emissões e consumo de energia. Kamiguchi, portanto, observa:"Quando nosso sistema catalítico é combinado com H2 verde produção a partir de energia renovável, a emissão de CO2 que causa aquecimento global poderia ser reduzido ainda mais."
Atualmente, a equipe de pesquisa está focada na adição de promotores ao catalisador à base de molibdênio que tornará a síntese de amônia mais eficiente.
