Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio descobriram como um catalisador usado em uma reação industrial promissora pode ajudar a produzir amônia, principal componente dos fertilizantes. Neste processo, o óxido de cobre atua como um importante catalisador na reação eletroquímica de redução do nitrato, que é um método mais ecologicamente correto em comparação ao método Haber-Bosch tradicional. A equipe descobriu que minúsculas partículas de cobre são formadas durante a reação, e essas partículas ajudam a converter íons nitrito em amônia. A compreensão desta etapa oculta oferece novas oportunidades para o avanço da química industrial limpa.
A amônia desempenha um papel central na produção de fertilizantes e é vital para a agricultura moderna. Hoje, a maior parte da amônia é produzida através do processo Haber-Bosch, que combina nitrogênio e hidrogênio a temperaturas e pressões extremamente altas. Este método requer muita energia e estima-se que seja responsável por cerca de 1,4% das emissões globais de dióxido de carbono. Dado que o amoníaco está tão intimamente ligado ao abastecimento alimentar global, o incentivo para desenvolver alternativas mais limpas é forte.
Investigando os caminhos de baixa temperatura da amônia
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Fumiaki Amano, da Universidade Metropolitana de Tóquio, concentrou-se na redução eletroquímica de nitrato, um método emergente para produzir amônia a partir de nitrato em temperatura ambiente e pressão normal. As técnicas eletroquímicas usam eletrodos colocados em uma solução química enquanto aplicam uma voltagem para desencadear uma reação específica. Embora estudos anteriores tenham identificado as várias etapas que ocorrem no eletrodo durante a formação de amônia, a sequência completa de eventos permaneceu indefinida.
Acompanhe as alterações do Catalyst com ferramentas avançadas
Ao utilizar técnicas avançadas de medição, a equipe obteve uma compreensão mais clara de como a amônia se forma na presença de um catalisador de óxido de cobre, considerado um dos eletrocatalisadores mais fortes para esta reação. Eles confiaram na absorção de raios X in situ, uma técnica que examina o comportamento dos elétrons e as mudanças estruturais locais. Ao anexar pequenas partículas de óxido de cobre às fibras de carbono, eles puderam observar como o material respondia à medida que a tensão aplicada se tornava cada vez mais negativa.
Sob tensões positivas, eles descobriram que os íons nitrato “passivam” o catalisador fixando-se à sua superfície, evitando a conversão do óxido de cobre em cobre metálico e, em vez disso, levando à formação de íons nitrito. Quando a tensão se torna mais negativa, a produção de amônia aumenta acentuadamente. Este aumento ocorreu simultaneamente com o aparecimento de partículas metálicas de cobre, como evidenciado por um grande salto nas ligações cobre-cobre. Os pesquisadores determinaram que esse cobre metálico ajuda a adicionar hidrogênio aos íons nitrito, formando amônia.
Caminhos para amônia verde mais eficiente
Os resultados mostram como a passivação superficial afeta o desempenho do óxido de cobre e demonstram que a produção de cobre metálico durante a reação é crítica para a produção eficiente de amônia. Esses resultados fornecem estratégias mais amplas para melhorar os métodos de amônia verde e projetar catalisadores eletroquímicos de próxima geração.
Esta pesquisa foi apoiada pela Tokyo Metropolitan University e pelo Tokyo Global Partners Scholarship Program e é baseada nos resultados do projeto JPNP14004 encomendado pela New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
