Interruptor de cobre oculto sobrecarrega a produção de amônia verde
Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio descobriram como um catalisador usado em uma reação industrial promissora ajuda a gerar amônia, um componente importante dos fertilizantes. Neste processo, o óxido de cobre atua como um importante catalisador na reação eletroquímica de redução do nitrato, uma abordagem mais ecologicamente correta em comparação com o método tradicional Haber-Bosch. A equipe descobriu que minúsculas partículas de cobre se formam durante a reação em si, e essas partículas auxiliam na conversão de íons nitrito em amônia. A compreensão desta etapa oculta oferece novas oportunidades para o avanço de uma química industrial mais 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 sob temperaturas e pressões extremamente altas. Esta abordagem exige grandes quantidades de energia e estima-se que contribua com cerca de 1,4% das emissões globais de dióxido de carbono. Dado que o amoníaco está tão intimamente ligado ao abastecimento alimentar global, existe uma forte motivação para desenvolver alternativas mais limpas.
Investigando uma rota de baixa temperatura para a amônia
Um grupo de pesquisa liderado pelo professor Fumiaki Amano, da Universidade Metropolitana de Tóquio, concentrou-se na reação eletroquímica de redução de nitrato, um método emergente que cria amônia a partir de nitratos à temperatura ambiente e à pressão atmosférica normal. As técnicas eletroquímicas usam eletrodos colocados em uma solução química enquanto a voltagem é aplicada para desencadear reações específicas. Embora estudos anteriores tenham identificado etapas individuais que ocorrem nos eletrodos durante a formação de amônia, a sequência completa de eventos permaneceu difícil de definir.
Rastreando alterações no Catalyst com ferramentas avançadas
Através do uso de técnicas avançadas de medição, a equipe obteve uma compreensão muito mais clara de como a amônia se forma quando um catalisador de óxido de cobre está presente, sendo o óxido de cobre considerado um dos eletrocatalisadores mais fortes para esta reação. Eles confiaram na operação de absorção de raios X, uma técnica que examina tanto o comportamento eletrônico quanto as mudanças estruturais locais. Ao anexar pequenas partículas de óxido de cobre às fibras de carbono, eles conseguiram observar como o material responde quando a tensão aplicada se torna cada vez mais negativa.
Sob uma tensão positiva, eles descobriram que os íons nitrato “passivam” o catalisador fixando-se à sua superfície, o que impede a conversão do óxido de cobre em cobre metálico e, em vez disso, resulta na formação de íons nitrito. Quando a tensão se torna mais negativa, a produção de amônia aumenta acentuadamente. Este aumento ocorre ao mesmo tempo que aparecem partículas metálicas de cobre, confirmado por um grande salto nas ligações cobre-cobre. Os pesquisadores determinaram que esse cobre metálico ajuda a adicionar hidrogênio aos íons nitrito, o que leva à formação de amônia.
Caminhos para uma amônia verde mais eficiente
As descobertas mostram como a passivação da superfície influencia o desempenho do óxido de cobre e demonstram que a criação de cobre metálico durante a reação é essencial para a produção eficiente de amônia. Estes resultados apontam para um conjunto mais amplo de estratégias para melhorar os métodos de amônia verde e para projetar futuras gerações de catalisadores eletroquímicos.
Esta pesquisa foi apoiada pela Tokyo Metropolitan University e pelo Tokyo Global Partner Scholarship Program e é baseada nos resultados do projeto JPNP14004 encomendado pela New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO).
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