Amônia (NH₃ ) é considerado um promissor transportador de energia sem carbono, mas o seu processo de produção com utilização intensiva de energia ainda desafia os cientistas globais. Uma equipe de pesquisa liderada pela City University of Hong Kong (CityU) projetou recentemente uma liga bimetálica como um nanocatalisador ultrafino que pode fornecer desempenho eletroquímico bastante melhorado para gerar amônia a partir de nitrato (NO₃ ^- ), oferecendo grande potencial para a obtenção de combustível neutro em carbono no futuro.



As descobertas foram publicadas na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. (PNAS ) sob o título "Engenharia de ambiente de coordenação atômica de nanoestruturas de ligas bimetálicas para eletrossíntese eficiente de amônia a partir de nitrato."

A amônia, que é comumente usada em fertilizantes, atraiu recentemente muita atenção porque pode fornecer uma fonte de hidrogênio para células de combustível e é mais fácil de liquefazer e transportar do que o hidrogênio. Devido à sua enorme demanda, a reciclagem de nitrato (NO₃ ^- ) a partir de águas residuais poluídas com fertilizantes de amônio surgiu como uma alternativa para reproduzir amônia valiosa e tornar a agricultura mais sustentável.

Atualmente, a reação eletroquímica de redução de nitrato (NO₃ RR) é considerada uma solução promissora para a síntese de amônia. Compreende principalmente etapas de desoxigenação e hidrogenação (ou seja, NO₃ ^- + 9H ⁺ +8e ^- ➙NH₃ + 3H₂ O) com eletrocatalisadores à base de metal.

"No entanto, os subprodutos indesejados e a reação competitiva de evolução do hidrogênio (HER) durante o NO3RR aparentemente prejudicam a taxa de rendimento da produção de amônia", disse o professor Fan Zhanxi, do Departamento de Química da CityU, que liderou o estudo.

Em vez de modular o tamanho ou dimensão dos eletrocatalisadores, como fizeram outras pesquisas anteriores, a equipe do professor Fan se concentrou em melhorar os sítios ativos, onde as moléculas do substrato se ligam e a catálise ocorre na superfície dos eletrocatalisadores.

"Rutênio (Ru) é um material emergente como eletrocatalisador para NO₃ RR, mas também tem o problema de favorecer o HER, o que faz com que seus sítios ativos sejam altamente ocupados por hidrogênio ativo indesejado, deixando área insuficiente para redução de nitrato em amônia", explicou o professor Fan.

Para superar os desafios, a equipe introduziu outro metal – o ferro (Fe) – para modular o ambiente de coordenação atômica dos sítios ativos. Ao alterar o ambiente de coordenação dos sítios de Ru, as estruturas eletrônicas e as propriedades de superfície do Ru e, portanto, sua atividade catalítica para a produção de amônia são otimizadas. Para melhorar ainda mais o desempenho do eletrocatalisador, a equipe desenvolveu uma abordagem de síntese em um único recipiente para fazer nanofolhas ultrafinas que são montadas como uma estrutura semelhante a uma flor - chamadas nanoflores RuFe.

Este novo eletrocatalisador feito de liga bimetálica possui uma estrutura eletrônica altamente estável devido aos orbitais complementares que alcançam transferência eficiente de elétrons e estados de valência robustos, o que também suprime o HER competitivo e reduz as barreiras de energia para NO₃ RR. Além disso, os locais de superfície eletroquimicamente ativos das nanoflores RuFe mediam 267,5 cm ² , muito maior que 105 cm ² para Ru-nanosheets para que as reações ocorram.

Notavelmente, as nanoflores RuFe demonstraram um desempenho eletroquímico muito melhor, com uma excelente eficiência de transferência de carga, conhecida como eficiência faradaica (FE), de 92,9% e uma taxa de rendimento de 38,68 mg h ⁻¹ mgcat ⁻¹ em -0,30 e -0,65 V para a produção de amônia, que é quase 6,9 ​​vezes maior que a das nanofolhas de Ru.

"Esta pesquisa indica um grande potencial para nanoflores RuFe em sistemas de energia eletroquímica de próxima geração", disse o professor Fan. "Acreditamos que este trabalho pode estimular estudos de acompanhamento sobre a modulação do ambiente de coordenação atômica de sítios ativos em catalisadores à base de metal para a produção de amônia, promovendo ainda mais um ciclo sustentável do nitrogênio para alcançar energia livre de carbono no futuro."

Mais informações: Yunhao Wang et al, Engenharia de ambiente de coordenação atômica de nanoestruturas de ligas bimetálicas para eletrossíntese eficiente de amônia a partir de nitrato, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2306461120
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade Municipal de Hong Kong