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Pesquisadores da University Alliance Ruhr, Alemanha, descobriram um catalisador que permite a conversão de amônia em hidrogênio e nitrito, potencialmente unindo a produção de hidrogênio e a criação de fertilizantes. Usando eletrodos de difusão de gás e um catalisador multimetálico adequado, eles alcançaram uma taxa de conversão de elétrons significativa e demonstraram a viabilidade de combinar a reação reversa de Haber-Bosch com eletrólise de água, embora a aplicação industrial ainda esteja distante.
Pesquisadores alemães criaram um catalisador que converte amônia em hidrogênio e nitrito, potencialmente combinando produção de hidrogênio e criação de fertilizantes em um único processo.
Uma equipe de pesquisa da University Alliance Ruhr na Alemanha descobriu um catalisador capaz de converter amônia em hidrogênio, um transportador de energia, e nitrito, um precursor para fertilizante. Tradicionalmente, a produção de hidrogênio e fertilizante envolve processos químicos separados.
Com a nova abordagem, a equipe da Ruhr University Bochum e da University of Duisburg-Essen está demonstrando que os dois podem ser combinados em escala laboratorial. O grupo sediado em Bochum, liderado por Ieva Cechanaviciute e o Professor Wolfgang Schuhmann, relata os resultados junto com Bhawana Kumari e a Professora Corina Andronescu da University of Duisburg-Essen no periódico Angewandte Chemie Edição Internacional.
O hidrogênio pode ser produzido pela divisão da água (H2O) em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) usando energia elétrica. Para tornar esse processo sustentável, a energia deve vir de fontes renováveis. “Isso só pode ser feito em um país onde há muito espaço para energia eólica e muito sol para energia fotovoltaica, por exemplo na Namíbia”, explica Wolfgang Schuhmann. Para construir uma economia baseada em hidrogênio na Alemanha, ele deve, portanto, ser importado de países distantes. O ponto crucial da questão é que muita energia é necessária para liquefazer o hidrogênio para transporte, pois ele só se torna líquido em temperaturas extremamente baixas de menos 253 graus Celsius ou altas pressões.
Ieva Cechanaviciute. Crédito: RUB, Marquard
A amônia é mais fácil de transportar do que o hidrogênio
Conceitos alternativos, portanto, preveem a conversão de hidrogênio em amônia no local de produção, pois este se torna líquido a menos 33 graus Celsius. Ele também tem uma densidade de energia maior. “Um navio-tanque cheio de amônia líquida transportaria cerca de 2,5 vezes mais energia do que um navio-tanque cheio de hidrogênio líquido”, explica Schuhmann. Finalmente, a amônia teria que ser convertida novamente em hidrogênio no ponto de uso. Isso geralmente é feito usando a reação reversa de Haber-Bosch, na qual a amônia (NH3) é convertido em nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2). Dos dois produtos, no entanto, apenas o hidrogênio pode ser utilizado lucrativamente.
Duplique o rendimento de hidrogênio
“Tivemos, portanto, a ideia de combinar a reação reversa de Haber-Bosch com uma segunda eletrólise da água para produzir um produto que pode ser facilmente usado para a produção de fertilizantes, como nitrito ou nitrato, em vez de nitrogênio”, explica Ieva Cechanaviciute. Nessa reação, a amônia (NH3) e água (H2O) são consumidos para produzir nitrito (NO2–) e hidrogênio (H2). Em contraste com a reação reversa de Haber-Bosch, a produção de hidrogênio é duplicada e, em vez de nitrogênio não utilizável, é produzido principalmente nitrito, que pode ser posteriormente processado em fertilizante.
Para a reação, a equipe usou eletrodos de difusão de gás nos quais a amônia pode ser alimentada como gás. “Isso nunca tinha sido feito antes”, explica Wolfgang Schuhmann. “A amônia sempre foi usada na forma dissolvida.”
RUB, MarquardParte da equipe de pesquisa de Bochum: Ieva Cechanaviciute e Wolfgang Schuhmann. Crédito: RUB, Marquard
Superando o cânion termodinâmico
Um desafio para os pesquisadores era encontrar um catalisador adequado com o qual sua ideia pudesse ser realizada. Isso porque o material inicial NH3 tende a se converter em nitrogênio devido à ligação tripla nitrogênio-nitrogênio muito forte e não em nitrito. “Primeiro tivemos que fazer uma ponte sobre esse Grand Canyon termodinâmico”, explica Cechanaviciute. Em trabalhos anteriores, a equipe já havia experimentado catalisadores multimetálicos, que provaram ser adequados para esse propósito. Eles conseguiram converter 87% dos elétrons transferidos em nitrito. A equipe também conseguiu evitar o oxigênio como um subproduto indesejável da eletrólise da água.
“Nosso trabalho mostra que nosso Gedankenexperiment pode funcionar em princípio”, resume Wolfgang Schuhmann. “Mas ainda estamos muito longe da implementação técnica em escala industrial.”
Referência: “Eletrodos de difusão de gás para oxidação eletrocatalítica de amônia gasosa: superando o cânion de energia do nitrogênio” por Ieva A. Cechanaviciute, Bhawana Kumari, Lars M. Alfes, Corina Andronescu e Wolfgang Schuhmann, 23 de junho de 2024, Angewandte Chemie Edição Internacional.
DOI: 10.1002/anie.202404348
O estudo foi financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa e pelo Conselho Europeu de Pesquisa.