Catalisador de ferro altamente carregado por abordagem de espinélio. um Esquema de abordagem de síntese para uma microestrutura intermediária entre catalisador suportado e em massa. b Padrões de XRD do precursor LDH e MgFe2 O4 pré-catalisador de espinélio. As referências:Magnesioferrita (ICSD:41290), Hidrotalcita (ICSD:182294) (c , d ) XRD in situ do processo de redução e as correspondentes transformações da composição de fases durante a redução com base no refinamento Rietveld do MgFe2 O4 , em (c ) ➊ é MgFe2 O4 fase, ➋ é a fase de magnesiowüstita, ➌ é a fase α-Fe. e 1 Imagem representativa HAADF-STEM do catalisador Fe/MgO, os espectros EDS correspondentes coletados nas Áreas #1 e #2 (e 2), e resultados de mapeamento com a imagem reconstruída da composição Mg + Fe (e 3) Fe (e 4) Mg (e 5) O (e 6). Os mapas EDS estão relacionados às intensidades da linha K de O, Fe e Mg. f Imagem representativa BF-STEM do catalisador Fe/MgO e (g ) a distribuição de tamanho de metal correspondente, que foi determinada pela avaliação de pelo menos 400 partículas. A barra de erro representa o desvio padrão através da análise estatística do tamanho das partículas. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44661-6 A Alemanha provavelmente só poderá satisfazer a sua procura de hidrogénio amigo do clima através de importações, por exemplo, da América do Sul ou da Austrália. Para esse transporte de longa distância, o hidrogênio pode ser convertido em amônia.
Para facilitar a libertação posterior do hidrogénio, investigadores do Instituto de Química Inorgânica da Universidade de Kiel (CAU) e os seus parceiros de cooperação desenvolveram um catalisador mais activo e económico. Os resultados foram obtidos como parte do projeto emblemático do hidrogênio, TransHyDE, e foram publicados recentemente na Nature Communications. .
A capacidade de armazenar energia eólica ou solar desempenha um papel fundamental na transição energética. "Armazenar energia na forma de compostos químicos como o hidrogênio tem muitas vantagens. A densidade energética é alta e a indústria química também precisa de hidrogênio para muitos processos", diz Malte Behrens, professor de Química Inorgânica na Universidade de Kiel. Além disso, o "hidrogénio verde" pode ser produzido por eletrólise utilizando eletricidade proveniente de fontes de energia renováveis sem produzir CO2 .
Já existe infraestrutura para amônia
Mas transportar hidrogénio diretamente de regiões onde a energia eólica e solar é barata não é fácil. Uma alternativa interessante é a conversão química em amônia. O próprio amoníaco contém uma quantidade relativamente elevada de hidrogénio e já existe uma infra-estrutura bem desenvolvida para o seu transporte no exterior.
“A amônia pode ser facilmente liquefeita para transporte, já é produzida em escala de megatons e enviada e comercializada em todo o mundo”, diz o Dr. Shilong Chen, líder do subprojeto Kiel no projeto TransHyDE “AmmoRef”.
Os dois cientistas da área de pesquisa prioritária do CAU, KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science), estão colaborando com colegas de Berlim, Essen, Karlsruhe e Mülheim/Ruhr. Juntos, eles estão investigando como o hidrogênio pode ser liberado cataliticamente da amônia após o transporte. O seu catalisador recentemente desenvolvido acelera significativamente esta reação.
AmmoRef é um dos dez projetos TransHyDE. Cientistas de um total de oito instituições estão a trabalhar em vários subprojectos para melhorar as tecnologias de transporte de hidrogénio. Os resultados serão incorporados nas recomendações para a infraestrutura nacional de hidrogénio.
A combinação de metais torna o catalisador altamente ativo
“Um catalisador acelera uma reação química e, portanto, é diretamente responsável pela eficiência dos processos químicos e pela conversão de energia”, explica Behrens. Quanto mais rápido ocorrer o processo de reforma da amônia, menores serão as perdas de conversão causadas pelo armazenamento químico do hidrogênio na amônia.
“Nosso catalisador tem duas características especiais”, diz Chen. "Primeiro, ele é feito de metais básicos relativamente baratos, ferro e cobalto. Em segundo lugar, desenvolvemos um processo de síntese especial que permite uma carga metálica muito alta deste catalisador."
Até 74% do material consiste em nanopartículas de metal ativo, que são dispostas entre as partículas de suporte de forma que se formem cavidades em nanoescala, parecendo uma nanoesponja metálica porosa. “A combinação dos dois metais em uma liga também é crucial”, explica Behrens. Por si só, ambos os metais são menos cataliticamente ativos. A combinação cria superfícies bimetálicas altamente ativas com propriedades que de outra forma só seriam conhecidas em metais preciosos muito mais caros.
“Continuaremos investigando esse catalisador no consórcio AmmoRef, no qual também estão envolvidas empresas industriais, e transferindo-o da pesquisa básica para a aplicação”, afirma Behrens, anunciando os próximos passos. Para tal, a equipa em Kiel irá agora trabalhar na ampliação da síntese.
