Pesquisa aponta caminho para otimizar a produção sustentável de amônia

A NH₃ é um dos compostos químicos mais produzidos do mundo, sendo usada na indústria de fertilizantes, como fluido refrigerante e na fabricação de produtos que vão de explosivos até medicamentos. Além disso, é vista como promessa para a transição energética

Agência FAPESP * – Uma equipe científica multidisciplinar avaliou o desempenho a longo prazo de um material usado na produção sustentável de amônia, fornecendo orientações para processos mais estáveis e eficientes. A amônia (NH₃) é um dos compostos químicos mais produzidos do mundo: além de ser amplamente usada na indústria de fertilizantes, é empregada como fluido refrigerante e na fabricação de diversos produtos, desde explosivos até medicamentos. Adicionalmente, dado que cada molécula de amônia contém três átomos de hidrogênio, ela é vista como um meio viável para transportar esse elemento químico, que pode ser usado como combustível em veículos e máquinas sem gerar emissões de carbono.

A principal vantagem da amônia sobre o hidrogênio puro é a facilidade de transporte a longas distâncias. Como ambos são gases em condições ambientes, precisam passar para o estado líquido para ocupar menos espaço. No entanto, a liquefação da amônia é muito mais econômica. Como o produto já conta com uma extensa infraestrutura global, a estratégia mais competitiva hoje é transportar o hidrogênio na forma de amônia e decompor o composto apenas no local de uso.

Entretanto, o método convencional de produção de amônia, chamado Haber-Bosch, é atualmente responsável por cerca de 2% das emissões globais de gases de efeito estufa e por 1% a 2% do gasto mundial de energia por causa das condições de alta temperatura e pressão nas quais é realizado.

Por isso, muitos grupos de pesquisa estão investigando métodos mais sustentáveis de produção de amônia, como a reação de redução de nitrato, que é realizada em temperatura e pressão ambientes e pode usar facilmente eletricidade de fontes renováveis.

O processo consiste em uma série de reações eletroquímicas nas quais o íon nitrato (NO₃^-) recebe elétrons e prótons enquanto perde oxigênio. No final da reação, o nitrato – composto considerado poluente em ambientes aquáticos pela Organização Mundial da Saúde (OMS) – é transformado em amônia.

Mas, para que o processo seja viável, é necessário contar com eletrocatalisadores eficientes e estáveis. Eletrocatalisadores são materiais que facilitam reações eletroquímicas que ocorrem na superfície de um eletrodo, tornando-as mais rápidas e energeticamente eficientes. O eletrocatalisador não é consumido nas reações, porém pode ter a sua estrutura alterada, impactando a sua performance.

Por isso, em trabalho publicado em maio na revista científica ACS Applied Materials & Interfaces, cientistas se propuseram a analisar o desempenho ao longo do tempo de um material que pode ser usado como eletrocatalisador na reação de redução de nitrato a amônia: as nanoplacas de óxido de cobalto (Co₃O₄). O estudo foi apoiado pela FAPESP por meio de seis projetos (24/03807-7, 23/02841-4, 23/10045-3, 19/22183-6, 20/10246-0, e 24/20732-0).

Com o nanomaterial, os pesquisadores produziram uma tinta e a aplicaram sobre um substrato de carbono vítreo, compondo, dessa forma, o eletrodo que seria estudado.

“Avaliamos, em nível fundamental, como ciclagens voltamétricas prolongadas impactam a performance da redução de nitrato a amônia”, detalha Matheus Pereira Sales, primeiro autor do artigo e membro do Programa de Hidrogênio de Baixo Carbono do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), um Centro de Pesquisa Aplicada (CPA) constituído pela FAPESP e pela Shell, sediado nas universidades Estadual de Campinas (Unicamp), de São Paulo (USP) e Federal de São Carlos (UFSCar). Sales cursa doutorado na Unicamp e vem estudando aspectos da redução de nitrato para amônia desde o mestrado, ambos sob orientação do professor Raphael Nagao, do Instituto de Química.

Na ciclagem voltamétrica, o material é submetido a uma tensão elétrica crescente até chegar a um pico. Depois disso, a tensão é diminuída até voltar ao nível inicial. Durante o processo, o comportamento eletroquímico da amostra é registrado.

Nesse caso, os pesquisadores submeteram o eletrocatalisador a mil ciclos voltamétricos no intuito de envelhecê-lo aceleradamente. O material novo (original) e o material envelhecido foram então caracterizados usando diversas técnicas experimentais para avaliar a sua morfologia e estrutura e os resultados foram comparados.

Também foram realizadas simulações computacionais em nível atômico para completar o entendimento do comportamento do material. “Mais do que apenas confirmar os dados práticos, a teoria nos permitiu investigar a fundo as mudanças, revelando exatamente quais características eletrônicas são responsáveis por essa performance”, diz Marionir Castelo Branco, pesquisador de pós-doutorado no Instituto de Química de São Carlos da USP e membro do programa de Design Computacional de Materiais do CINE.

A pesquisa mostrou que o envelhecimento muda a superfície do material, tornando o eletrocatalisador mais produtivo, porém menos seletivo, o que significa que produz maior quantidade de outros compostos, além da amônia. Ainda assim, os resultados indicam que o envelhecimento, em vez de piorar o desempenho do material, pode melhorar alguns aspectos, como a velocidade de produção do composto desejado. Os achados também apontam caminhos para otimizar eletrocatalisadores e torná-los mais seletivos, mediante o ajuste de parâmetros na fabricação do dispositivo.

O artigo Electrochemical nitrate and nitrite reduction reaction to ammonia: Catalytic aging and stability of Co₃O₄ hexagonal nanoplates pode ser lido em: pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.6c03616.

* Com informações de Verónica Savignano, do CINE.