Reator ecológico imita relâmpagos para produzir amônia do ar e da água

Há uma boa probability de você dever sua existência ao processo Haber-Bosch.

Esta reação química industrial entre hidrogênio e nitrogênio produz amôniao ingrediente-chave dos fertilizantes sintéticos que abastecem grande parte do abastecimento alimentar mundial e permitiram a explosão populacional do século passado.

Também pode ameaçar a existência das gerações futuras. O processo consome cerca de 2% do fornecimento whole de energia mundial, e o hidrogénio necessário para a reação provém principalmente de combustíveis fósseis.

Inspirando-se na forma como a natureza – incluindo os relâmpagos – produz amônia, uma equipe liderada pela Universidade de Buffalo desenvolveu um reator que produz a mercadoria química a partir do nitrogênio no ar e na água, sem qualquer pegada de carbono.

Este reator eletroquímico de plasma, descrito em um estudo publicado no Jornal da Sociedade Química Americanapode sustentar uma alta taxa de produção de amônia de aproximadamente 1 grama por dia durante mais de 1.000 horas em temperatura ambiente, e faz isso diretamente do ar.

Os pesquisadores dizem que este é um avanço significativo em direção à síntese de amônia verde com uma taxa de produção industrialmente competitiva e estabilidade de reação.

“O amoníaco é frequentemente considerado o produto químico que alimenta o mundo, mas também temos de encarar a constatação de que o processo Haber-Bosch não foi modernizado desde a sua invenção, há 100 anos. Ainda utiliza processamento a alta temperatura e alta pressão, e gera uma grande pegada de carbono, tornando-a insustentável a longo prazo”, diz o autor correspondente do estudo, Chris Li, Ph.D., professor assistente de química na Faculdade de Artes e Ciências da UB. “Nosso processo requer apenas ar e água e pode ser alimentado por eletricidade renovável”.

Imitando o ciclo do nitrogênio da natureza

A natureza tem sua própria maneira de produzir fertilizantes.

Em fixação de nitrogênioa energia elétrica de um raio quebra as moléculas de nitrogênio na atmosfera para formar diferentes espécies de óxido de nitrogênio. Depois de cair como água da chuva, óxidos de nitrogênio são convertidos em amônia pelas bactérias do solo, fornecendo nutrientes às plantas.

No reator de duas etapas da equipe liderada pelo UB, o papel do raio é substituído pelo plasma e o papel das bactérias é substituído por um catalisador de cobre-paládio.

“Nosso reator de plasma converte o ar umidificado em fragmentos de óxido de nitrogênio, que são então colocados em um reator eletroquímico que usa o catalisador de cobre-paládio para convertê-los em amônia”, diz Li.

Crucialmente, o catalisador é capaz de adsorver e estabilizar os numerosos intermediários de dióxido de nitrogênio criados pelo reator de plasma. O algoritmo da teoria dos grafos da equipe identificou que a maioria dos compostos de óxido de nitrogênio precisam passar pelo óxido nítrico ou amina como uma etapa intermediária antes de se tornarem amônia. Isso permitiu à equipe projetar de forma inteligente um catalisador que se ligasse favoravelmente a esses dois compostos.

“Quando a energia do plasma ou um raio ativa o nitrogênio, você gera uma sopa de compostos de óxido de nitrogênio. Converter simultaneamente, no nosso caso, até oito compostos químicos diferentes em amônia é incrivelmente difícil”, diz Xiaoli Ge, primeiro autor do estudo e um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Li. “A teoria dos grafos essencialmente nos permite mapear todos os diferentes caminhos de reação e, em seguida, identificar um gargalo químico. Em seguida, otimizamos nosso reator eletroquímico para estabilizar o gargalo químico, de modo que todos os diferentes intermediários sejam transferidos seletivamente para amônia.”

Aumentando a escala

A equipe de Li está atualmente no processo de ampliação de seu reator e está explorando uma startup e parcerias com a indústria para ajudar a comercializá-lo. O Escritório de Transferência de Tecnologia da UB registrou um pedido de patente sobre o reator e métodos para seu uso.

Mais de metade da amónia mundial é produzida por quatro países – China, Estados Unidos, Rússia e Índia – enquanto muitos países em desenvolvimento são incapazes de produzir a sua própria. Embora o processo Haber-Bosch deva ser conduzido em grande escala numa central eléctrica centralizada, Li diz que o seu sistema pode ser realizado numa escala muito menor.

“Você pode imaginar nossos reatores em algo como um contêiner de tamanho médio com painéis solares no telhado. Isso pode então ser colocado em qualquer lugar do mundo e gerar amônia sob demanda para aquela região”, diz ele. “Essa é uma vantagem muito interessante do nosso sistema e nos permitirá produzir amônia para regiões subdesenvolvidas com acesso limitado ao processo Haber-Bosch.”