Amônia (NH₃ ) é um componente importante em fertilizantes e um promissor transportador de energia livre de carbono. No entanto, a produção de amônia consome cerca de 2% da produção total de energia do mundo e libera 500 Mt de dióxido de carbono anualmente. Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu um novo tipo de fotocatalisador que pode produzir amônia a partir do nitrogênio atmosférico à temperatura ambiente usando a luz solar. Este novo método superou a maneira convencional que causa emissões maciças de carbono. A equipe de pesquisa acreditava que essa tecnologia de produção sustentável de amônia faria avançar o desenvolvimento da futura economia de nitrogênio.
Esta pesquisa foi liderada pelo Professor Leung Kwok Hi Michael, Professor Shun Hing Educação e Fundo de Caridade de Energia e Meio Ambiente e Professor Assistente Dr. Shang Jin, ambos da Escola de Energia e Meio Ambiente (SEE) da CityU, bem como um acadêmico da Austrália. Suas descobertas foram publicadas na revista científica ACS Nano sob o título "Sítio de metal de ferro atomicamente disperso em uma estrutura metal-orgânica à base de porfirina para fixação fotocatalítica de nitrogênio".

Amônia:um combustível emergente que pode substituir o petróleo e o carvão na geração de eletricidade

A amônia é um componente essencial de alimentos e fertilizantes. A maior parte da amônia artificial é usada para produzir fertilizantes para a agricultura. A amônia também é um produto químico importante com uma ampla gama de uso industrial, desde a produção de detergentes até refrigerantes. Mais importante, a amônia atraiu muita atenção nos últimos anos porque fornece uma fonte de hidrogênio para células de combustível e é mais fácil de ser liquefeita e transportada do que o hidrogênio. Além disso, a própria amônia pode servir como combustível para geração de energia além do petróleo e do carvão. Portanto, há uma enorme demanda para a produção de amônia.

Método de produção atual:Nocivo ao meio ambiente

"Fixar" nitrogênio é um passo importante antes de produzir amônia. Embora 80% da atmosfera consista em nitrogênio, esse nitrogênio "livre" não pode ser utilizado até ser convertido em compostos contendo nitrogênio. Esse processo de conversão é chamado de "fixação de nitrogênio".

A fixação do nitrogênio pode ser feita de forma natural ou artificial. A maneira artificial geralmente se refere ao processo industrial Haber-Bosch em temperatura e pressão elevadas, usando ferro como catalisador para produzir amônia a partir de nitrogênio e hidrogênio. Hoje em dia, a produção de amônia depende fortemente do processo Haber-Bosch, mas não é sustentável porque consome uma enorme quantidade de combustíveis fósseis e causa grandes emissões de dióxido de carbono.

Para buscar uma maneira sustentável de produzir amônia, o professor Leung e o Dr. Jin reúnem suas equipes para desenvolver uma abordagem para a fixação de nitrogênio em condições ambientais usando água e energia renovável. O maior desafio para a equipe conjunta foi fazer um catalisador que permitisse a desafiadora reação em várias etapas da fixação de nitrogênio.

Novo fotocatalisador biomimético

Na natureza, o ferro na nitrogenase (um tipo de enzima) liga e ativa favoravelmente o nitrogênio, e a porfirina (um tipo de composto orgânico) na clorofila efetivamente coleta a luz solar. Inspirada pelos mecanismos da natureza acima, a equipe desenvolveu um fotocatalisador de estrutura metal-orgânica (MOFs) à base de porfirina metalizada com ferro.

Este fotocatalisador biomimético, com apenas 15 a 25 nm de espessura, pode produzir amônia após conseguir a fixação artificial de nitrogênio alimentada pela luz solar e utilizando água como agente redutor, à temperatura e pressão ambiente.

A equipe usou MOFs neste fotocatalisador porque forneceu locais mais ativos na superfície para adsorção e ativação de nitrogênio. Assim, a eficiência da reação de redução de nitrogênio é aumentada.

A equipe realizou experimentos com este fotocatalisador e provou que a amônia poderia ser produzida. "Desenvolvemos um novo fotocatalisador capaz de alcançar o melhor desempenho de fixação de nitrogênio fotocatalítico na categoria de fotocatalisador baseado em MOFs. Ele apresenta um dos maiores rendimentos de amônia e a melhor estabilidade hidrolítica em MOFs", disse o professor Leung. Boa estabilidade hidrolítica significa que o fotocatalisador deve ser usado repetidamente.

Através desta pesquisa, a equipe explorou a reação de redução de nitrogênio fotocatalítica em seu fotocatalisador biomimético. O Dr. Shang destacou que o novo conhecimento adquirido com este trabalho orientaria o projeto racional de fotocatalisadores baseados em MOFs de próxima geração. Ele acreditava que suas descobertas liberariam o potencial de desenvolver vários MOFs baseados em porfirina como fotocatalisadores para várias aplicações energéticas e ambientais.

A equipe esperava que este estudo pioneiro inspirasse cientistas e engenheiros no campo da catálise a explorar e desenvolver fotocatalisadores biomiméticos baseados em MOFs para catalisar outras reações químicas à temperatura e pressão ambiente, não se limitando à fixação artificial de nitrogênio.

"Produzir energia e produtos químicos por meio de processos livres de combustível fóssil é ideal para alcançar a neutralidade de carbono. Esta pesquisa desenvolveu uma tecnologia para produzir amônia a partir de nitrogênio atmosférico e água por meio da coleta de luz solar. Obtivemos energia livre de carbono de forma sustentável", concluiu o professor Leung. A equipe acreditava que suas descobertas ajudariam a mitigar a crise de energia cada vez mais urgente e os problemas ambientais. + Explorar mais

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