Cientistas da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia estão transformando o ar em fertilizante sem deixar pegada de carbono. A sua descoberta poderá fornecer uma solução muito necessária para ajudar a cumprir as metas mundiais de neutralidade de carbono até 2050.



Publicado na revista Energy &Environmental Science , o estudo descreve um processo eletroquímico – em vez de químico – sustentável para a produção de amônia, um ingrediente chave para fertilizantes de nitrogênio.

Em essência, os pesquisadores usaram a dispersão de nêutrons para entender como o ciclo de uma corrente elétrica durante a conversão de nitrogênio em amônia, também conhecida como reação de redução de nitrogênio, aumenta a quantidade de amônia produzida. Este processo tem o potencial de permitir aos agricultores converter o azoto, o elemento mais abundante na nossa atmosfera, em fertilizantes à base de amoníaco sem emitir dióxido de carbono.

“A amônia é fundamental para o abastecimento alimentar da maior parte da população mundial”, disse Sarah Blair, ex-aluna de doutorado no Centro de Ciência de Interface e Catálise de Stanford, que agora trabalha no Laboratório Nacional de Energia Renovável, no Colorado, como pesquisadora de pós-doutorado. “À medida que a população mundial continua a crescer, precisamos de formas sustentáveis ​​de produzir fertilizantes – especialmente à medida que o aquecimento se intensifica.”

Os fertilizantes industriais permitem que os agricultores cultivem mais alimentos em menos terras. No entanto, o principal método para criar amoníaco industrial há mais de um século, o processo Haber-Bosch, é responsável por quase 2% de todas as emissões de dióxido de carbono devido aos combustíveis fósseis que necessita.

Dois por cento pode não parecer muito, mas estamos a adicionar dióxido de carbono à atmosfera mais rapidamente do que o planeta consegue absorvê-lo, fazendo com que todos os esforços contem para reduzir esse número. O processo Haber-Bosch produz cerca de 500 milhões de toneladas de dióxido de carbono por ano, o que exigiria o equivalente a quase todas as terras federais dos EUA para absorver e armazenar.

Os insights do estudo também podem ajudar os cientistas a compreender outros processos de produção de amônia neutra em carbono para outras aplicações. Estas poderiam incluir a reciclagem ou a recaptura do escoamento de fertilizantes antes de entrarem nos cursos de água e a produção de amoníaco nos portos marítimos para abastecer os navios. O transporte marítimo global produz outros 3% das emissões mundiais de dióxido de carbono e a combustão de combustíveis fósseis é responsável pela maior fonte de dióxido de carbono proveniente da actividade humana.

“Você não pode melhorar o design de algo se não souber como já está funcionando”, disse Blair. "Os nêutrons ajudam a ciência a evoluir, lançando luz em nível atômico sobre certos sistemas que são impossíveis de estudar de outra forma."

Blair e Mat Doucet, um cientista sênior de espalhamento de nêutrons do ORNL, conduziram seus experimentos de nêutrons no instrumento Reflectômetro de Líquidos na Fonte de Nêutrons de Espalação. O objetivo era compreender o efeito do ciclo de uma corrente elétrica na formação da interface sólido-eletrólito, ou SEI, em um sistema de reação de redução de nitrogênio que produz amônia usando lítio como mediador.

Compreender a formação do SEI é a chave não apenas para desbloquear a ciência por trás da produção eletroquímica de amônia, mas também para a produção de baterias melhores. O estudo também marca o primeiro uso de técnicas baseadas em nêutrons para observar a formação de uma camada SEI durante esta conversão eletroquímica específica.

Além disso, uma nova técnica singular de nêutrons, a reflectometria resolvida no tempo, emergiu do estudo. Esta técnica permite aos cientistas dividir os dados de nêutrons em incrementos de alguns segundos, capturando maiores detalhes, como assistir a um filme quadro a quadro. Inicialmente, Blair e Doucet pensaram que as mudanças eletroquímicas que observaram aconteciam gradualmente. No entanto, graças à nova técnica, descobriram que as mudanças aconteciam em incrementos de tempo muito menores.

“Processos que parecem lineares podem não ser lineares quando você os observa mais de perto”, disse Doucet. "Chegar a essa estrutura em função do tempo é a parte difícil. A técnica que desenvolvemos para este experimento nos permitiu fazer exatamente isso."

As descobertas no SNS lançam as bases do conhecimento para inovações tecnológicas que melhoram a vida quotidiana das pessoas. A técnica desenvolvida por Blair e Doucet abre novas possibilidades em eletroquímica para usuários de SNS.

Hanyu Wang, cientista do instrumento ORNL que também trabalha em estreita colaboração com usuários do SNS, disse:“Esses experimentos dependentes do tempo atrairão cientistas que estudam químicas de separação”.

O líder do grupo de reflectometria de nêutrons ORNL, Jim Browning, acrescentou:"Sua abordagem pode responder a muitas perguntas sobre produtos químicos de separação, baterias e toda uma gama de diferentes áreas de interesse, como produção de energia, armazenamento de energia e conservação de energia."

Mais informações: Sarah J. Blair et al, Refletometria de nêutrons in situ combinada, resolvida no tempo, e análise de difração de raios X da formação dinâmica de SEI durante N2 eletroquímico redução, Energia e Ciência Ambiental (2023). DOI:10.1039/D2EE03694K
Informações do diário: Energia e Ciência Ambiental

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge