Os engenheiros da Georgia Tech estão a trabalhar para tornar os fertilizantes mais sustentáveis ​​– desde a produção até à reutilização produtiva do escoamento após a aplicação – e dois novos estudos estão a oferecer caminhos promissores em ambas as extremidades do processo.



Num artigo, os investigadores desvendaram como o azoto, a água, o carbono e a luz podem interagir com um catalisador para produzir amónia à temperatura e pressão ambientes, uma abordagem que consome muito menos energia do que a prática actual. O segundo artigo descreve um catalisador estável capaz de converter fertilizantes residuais novamente em nitrogênio não poluente que poderá um dia ser usado para fazer novos fertilizantes.

Ainda há trabalho significativo em ambos os processos, mas a autora principal dos artigos, Marta Hatzell, disse que são um passo em direção a um ciclo mais sustentável que ainda atenda às necessidades de uma população mundial crescente.

"Muitas vezes pensamos que seria bom não ter que usar fertilizantes sintéticos para a agricultura, mas isso não é realista no curto prazo, considerando o quanto o crescimento das plantas depende de fertilizantes sintéticos e de quanto alimento a população mundial necessita", disse Hatzell, associado professor da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff. “A ideia é que talvez um dia você possa fabricar, capturar e reciclar fertilizantes no local”.

Produzindo amônia em temperatura e pressão mais baixas

A amônia rica em nitrogênio é um fertilizante essencial na produção global de alimentos. Contudo, criá-lo requer uma quantidade significativa de energia baseada no petróleo e só pode ser feito em cerca de 100 instalações de grande escala em todo o mundo.

Hatzell e seus colegas da Georgia Tech descobriram o importante papel das moléculas chamadas radicais de carbono para uma abordagem de baixa energia que usa um catalisador reativo à luz para fundir nitrogênio e hidrogênio em amônia. Eles relataram suas descobertas no Journal of the American Chemical Society Au (JACS Au ).

As reações fotoquímicas são promissoras porque poderiam utilizar energia solar em vez de combustíveis fósseis e oferecer uma abordagem mais descentralizada à produção de amônia. Normalmente, a reação necessária requer temperaturas em torno de 400° Celsius e 100 vezes a pressão atmosférica normal. Criar um processo à pressão e temperatura ambiente – em torno de 25° C – seria consideravelmente mais fácil.

A equipa, que incluiu investigadores da Escola de Engenharia Química e Biomolecular e da Escola de Engenharia Civil e Ambiental, utilizou ferramentas de espectroscopia para mostrar que a luz interage com o fotocatalisador para produzir moléculas de carbono de alta energia chamadas radicais de carbono.

"Descobrimos, surpreendentemente, que o nitrogênio não reage diretamente em baixas temperaturas. É realmente necessária a presença do radical carbono para auxiliar no processo de fixação do nitrogênio", disse Hatzell.

“Foi muito importante para nós tentar identificar esse caminho de reação, porque sem uma compreensão clara de como o nitrogênio e a água resultam na formação de amônia, não podemos realmente projetar sistemas e projetar novos materiais”, continuou ela.

"Ao mapear esta via de reação e compreender todos os possíveis processos catalíticos que podem ocorrer, podemos agora projetar melhor reatores e projetar melhores materiais para acelerar o processo."

A equipe usou dióxido de titânio como fotocatalisador nesses experimentos porque é bem estudado e amplamente útil, mas Hatzell disse que outros materiais podem ser mais eficazes em desencadear a criação de amônia em uma reação fotoquímica. Esta nova compreensão pode ajudar os cientistas a começar a otimizar o processo.

Reciclagem de resíduos de fertilizantes

O segundo estudo do laboratório de Hatzell – publicado na ACS Energy Letters —está trabalhando no extremo oposto do ciclo de vida do fertilizante. Quantidades significativas de azoto são desperdiçadas quando o fertilizante é aplicado às culturas – talvez até 80% não seja metabolizado pelas plantas. Esses resíduos de nitrato muitas vezes acabam poluindo as águas subterrâneas.

Hatzell trabalhou com outros engenheiros mecânicos e pesquisadores da Georgia Tech em dois laboratórios nacionais para criar uma liga de paládio-cobre que reduz esses nitratos de volta a nitrogênio, que pode ser liberado inofensivamente no ar ou, um dia, usado para alimentar processos como a reação fotoquímica. no JACS Au estudo para criar novo fertilizante de amônia.

"Nosso catalisador não é apenas bom, mas também estável por um longo período de tempo", disse Hatzell. "Muitos pesquisadores criaram catalisadores que conseguem boa conversão, mas os catalisadores não são estáveis. Criamos um material de liga altamente ordenado que é eficaz, eficiente e também estável, o que significa que seria capaz de trabalhar com esses fluxos de resíduos."

Ambos os estudos são fruto de uma concentração de expertise na Faculdade de Engenharia que trabalha para avançar nessa área. Eles incluem contribuições de pesquisadores como A.J. Medford, Seung Woo Lee e Carsten Sievers.

Eles também fazem parte de um esforço mais amplo, liderado por Hatzell e outros da Tech Help, que está trabalhando para reduzir a poluição por nitrogênio e, em vez disso, criar uma economia circular de nitrogênio por meio da captura, reciclagem e produção de fertilizantes descarbonizados à base de nitrogênio.

“Com esse centro de 10 anos, estamos trabalhando para desenvolver todos esses processos e tecnologias individuais”, disse Hatzell. "Depois descobriremos como montá-los e testá-los em estações de tratamento de águas residuais e locais agrícolas."

Mais informações: Po-Wei Huang et al, Formação de radicais centrados em nitrogênio induzidos por carbono em dióxido de titânio sob iluminação, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556
Jeonghoon Lim et al, Eletrocatalisadores PdCu Atomicamente Ordenados para Redução Eletroquímica Seletiva e Estável de Nitrato, ACS Energy Letters (2023). DOI:10.1021/acsenergylett.3c01672

Informações do diário: Cartas de Energia ACS

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Geórgia