Uma síntese de amônia em uma etapa sem entrada térmica, elétrica ou solar pode ajudar a substituir o Haber Bosch, que consome muita energia.
Na busca de minimizar as mudanças climáticas, uma alta prioridade é descarbonizar a produção industrial de commodities químicas. No topo da lista está o processo de síntese de amônia Haber-Bosch, intensivo em energia e emissão de carbono, ainda praticado em todo o mundo desde sua invenção no início de 1900.
Atualmente, a produção anual de amônia é de cerca de 150 milhões de toneladas e carrega 0,8 G tonelada de CO2 pegada. Especificamente, para cada tonelada de produção de amônia, é necessária uma entrada de energia de cerca de três Giga Joules. Derivada de recursos fósseis, essa quantidade de energia cogera cerca de cinco toneladas de CO2correspondendo a cerca de 7% de todas as emissões industriais de gases de efeito estufa.
No processo Haber-Bosch, a amônia é produzida a partir de nitrogênio e hidrogênio e é ativada por um catalisador de estado sólido à base de ferro ou rutênio acionado em alta temperatura e pressão. Desde sua descoberta, muitos outros catalisadores foram explorados para reduzir as condições extremas do processo, mas até agora sem sucesso.
A necessidade urgente de substituir o processo Haber-Bosch por um que seja menos intensivo em energia e, portanto, mais ecológico, inspirou o uso de formas renováveis de energia para alimentar equivalentes elétricos, leves e catalisadores mecânicos da reação de síntese de amônia. Nenhum até agora tem indicadores de desempenho (ou sejaeficiência energética, taxa de reação e seletividade, rendimento de conversão, durabilidade, escala, intensidade de carbono) que chegam perto de substituir o processo Haber-Bosch de seu trono.
No entanto, tudo isso pode mudar graças a uma descoberta notável de que a amônia pode ser sintetizada em uma reação química de uma etapa essencialmente a partir do ar rarefeito! A reação não requer entrada de energia térmica, elétrica ou solar.
Tirando amônia do ar
Em um estudo recente publicado na revista PNAS, os cientistas relatam que tudo o que é necessário para produzir amônia é um jato de ar comprimido composto principalmente de nitrogênio forçado através de um bico de pulverização de água capilar. Este dispositivo cria uma névoa, efetivamente um aerossol composto de gotículas de água do tamanho de um mícron contendo uma pequena quantidade de nitrogênio dissolvido. A névoa colide com uma malha de grafite porosa revestida por um filme de partículas de óxido de ferro apoiadas em um polímero ácido.
Uma análise de espectrometria de massa dos pesos moleculares da névoa emergente de microgotículas revela a presença de amônia com alguma hidrazina (N2H4). Vários experimentos de controle de microgotículas de água em uma variedade de condições operacionais de pulverização sem nitrogênio e sem óxido de ferro na malha demonstraram que eles são ingredientes-chave para produzir amônia, eliminando falsos positivos.
A geração de amônia por esse meio, sem a ajuda de um potencial elétrico externo, calor ou luz, foi rápida. Ele atingiu a faixa de sub-milissegundos com uma taxa de conversão estimada na faixa de nanomoles por segundo em uma área de um centímetro quadrado. A detecção de hidrazina como um co-produto sugere uma via de reação envolvendo a protonação sequencial de nitrogênio via hidrazina para produzir amônia. Este esquema de reação é suportado por cálculos de química quântica.
A taxa de produção de amônia observada é considerada alta enquanto o rendimento de conversão é baixo em comparação com as sínteses de amônia relatadas na literatura usando métodos fotocatalíticos e eletrocatalíticos. A partir das informações atualmente disponíveis, pode-se especular que este processo é auxiliado por algumas propriedades únicas da superfície das microgotículas de água que permitem a química redox de transferência de elétrons necessária para facilitar a reação de síntese de amônia. A contribuição de cada um desses efeitos ainda precisa ser verificada.
Pode-se imaginar que uma versão dimensionada, eficiente, robusta e econômica desse processo de síntese de amônia em aerossol, se implementada com sucesso, poderia encontrar aplicabilidade mundial no formato de máquinas de pulverização de fertilizantes agrícolas, terrestres e aéreos, uma inovação que promete uma futura produção de alimentos sustentável e ecologicamente correta e uma tecnologia de melhoria do clima.
Escrito por: Geoffrey Ozin e Chengliang Mao, Solar Fuels Group University of Toronto
Referência: Xiaowei Song, Chanbasha Basheer e Richard N. Zare, Fazendo amônia a partir de microgotículas de nitrogênio e água, PNAS (2023). DOI: 10.1073/pnas.2301206120
Ilustração gráfica cortesia do Professor Chenxi Qian, Sunnybrook Hospital e Biomedical Sciences University of Toronto
