Pesquisadores determinam experimentalmente o mecanismo de reação para produção catalítica de amônia
A figura ilustra como a reação catalítica de superfície fornece a base para a agricultura. Crédito:David Degerman, pós-doutorado, Departamento de Física, Universidade de Estocolmo Pesquisadores da Universidade de Estocolmo conseguiram pela primeira vez estudar a superfície de catalisadores de ferro e rutênio quando a amônia é formada a partir de nitrogênio e hidrogênio. O estudo, "Operando Sondagem da Química da Superfície Durante o Processo Haber-Bosch", foi publicado na Nature .
Um melhor conhecimento do processo catalítico e a possibilidade de encontrar materiais ainda mais eficientes abrem as portas para uma transição verde na atual situação de CO2 -indústria química intensiva.
O amoníaco, produzido no processo Haber-Bosch, é atualmente um dos produtos químicos de base mais essenciais para a produção mundial de fertilizantes, com uma produção anual de 110 milhões de toneladas. A revista Natureza propôs em 2001 que o processo Haber-Bosch foi a invenção científica mais crítica para a humanidade durante o século XX, uma vez que salvou cerca de 4 mil milhões de vidas de pessoas ao prevenir a fome em massa. Uma estimativa do conteúdo de nitrogênio no DNA e nas proteínas do nosso corpo mostra que metade dos átomos pode ser derivada de Haber-Bosch.
"Apesar de três Prêmios Nobel (1918, 1931 e 2007) para o processo Haber-Bosch, não foi possível investigar experimentalmente a superfície do catalisador com métodos sensíveis à superfície sob condições reais de produção de amônia; técnicas experimentais com sensibilidade superficial em pressões e temperaturas suficientemente altas não eram alcançáveis", diz Anders Nilsson, professor de Física Química na Universidade de Estocolmo.
“Consequentemente, diferentes hipóteses sobre o estado do catalisador de ferro como metálico ou nitreto, bem como a natureza das espécies intermediárias importantes para o mecanismo de reação, não puderam ser verificadas inequivocamente.” O instrumento de espectroscopia de fotoelétrons foi construído na Universidade de Estocolmo e permite estudos de superfícies de catalisadores sob altas pressões. Crédito:Peter Amman "O que possibilitou este estudo foi que construímos um instrumento de espectroscopia de fotoelétrons em Estocolmo que permite estudos de superfícies de catalisadores sob altas pressões. Assim, pudemos observar o que acontece quando a reação ocorre diretamente, "diz David Degerman, Pós-doutorado em Química Física na Universidade de Estocolmo.
"Abrimos uma nova porta para a compreensão da catálise da produção de amônia com nosso novo instrumento, onde agora podemos detectar intermediários de reação e fornecer evidências do mecanismo de reação."
“Ter o nosso instrumento de Estocolmo numa das fontes de raios X mais brilhantes do mundo, no PETRA III, em Hamburgo, foi crucial para conduzir o estudo”, afirma Patrick Lömker, investigador da Universidade de Estocolmo. “Podemos agora imaginar o futuro com fontes ainda mais brilhantes quando a máquina for atualizada para PETRA IV.”
“Agora temos as ferramentas para realizar pesquisas que levem a novos materiais catalisadores para a produção de amônia que podem ser melhor utilizados para se combinarem com o hidrogênio produzido por eletrólise para a transição verde da indústria química”, diz Anders Nilsson.
"É inspirador realizar pesquisas sobre um tema que está tão ligado a uma história de sucesso científico que tem ajudado tremendamente a humanidade. Estou ansioso para continuar a pesquisa para encontrar novos catalisadores que possam diminuir a nossa dependência de fontes fósseis. A indústria química por si só é responsável por 8% do CO2 mundial emissões", diz Bernadette Davies, estudante de doutorado em Química de Materiais na Universidade de Estocolmo.
“A perspectiva a longo prazo de realizar a produção de amónia através de uma alternativa electrocatalítica que seja directamente alimentada pela energia solar ou eólica é muito apelativa, e agora temos ferramentas para ajudar cientificamente neste desenvolvimento”, diz Sergey Koroidov, investigador da Universidade de Estocolmo. .
O estudo foi conduzido em colaboração com a Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) em Hamburgo e a Universidade Montan na Áustria. O estudo incluiu ex-funcionários da Universidade, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen e Gabriel Rodrigez.
Mais informações: Anders Nilsson, Operando sondagem da química da superfície durante o processo Haber-Bosch, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06844-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5 Informações do diário: Natureza
