Pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio descobriram como um catalisador utilizado em uma reação industrial promissora ajuda a gerar amônia, um componente importante dos fertilizantes. Nesse processo, o óxido de cobre age como um catalisador fundamental na reação de redução eletroquímica de nitratos, uma abordagem mais ecológica em comparação com o tradicional método Haber-Bosch. A equipe constatou que diminutas partículas de cobre se formam durante a própria reação, e essas partículas auxiliam na conversão de íons nitrito em amônia. Compreender esse passo oculto oferece novas oportunidades para avançar na 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 em temperaturas e pressões extremamente altas. Essa abordagem exige grandes quantidades de energia e estima-se que contribua com cerca de 1,4% das emissões globais de dióxido de carbono. Como a amônia está tão intimamente ligada ao suprimento alimentar global, há 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 na Universidade Metropolitana de Tóquio concentrou-se na reação de redução eletroquímica de nitratos, um método emergente que cria amônia a partir de nitratos à temperatura ambiente e pressão atmosférica normal. Técnicas eletroquímicas usam eletrodos colocados em uma solução química enquanto uma 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 ainda se mostrou difícil de definir.
Acompanhando Mudanças no Catalisador com Ferramentas Avançadas
Através do uso de técnicas de medição avançadas, a equipe obteve uma compreensão muito mais clara de como a amônia se forma na presença de um catalisador de óxido de cobre, sendo o óxido de cobre considerado um dos eletrocatalisadores mais fortes para essa reação. Eles confiaram na absorção de raios-X operando, uma técnica que examina tanto o comportamento eletrônico quanto as mudanças estruturais locais. Ao conectar pequenas partículas de óxido de cobre a fibras de carbono, foram capazes de observar como o material responde quando a voltagem aplicada se torna cada vez mais negativa.
Com uma voltagem positiva, descobriram que os íons nitrato “passivam” o catalisador, ao se ligarem à sua superfície, o que impede que o óxido de cobre se converta em cobre metálico e, em vez disso, resulta na formação de íons nitrito. Assim que a voltagem se torna mais negativa, a produção de amônia aumenta drasticamente. Esse aumento ocorre ao mesmo tempo que as partículas de cobre metálico aparecem, confirmado por um grande salto nas ligações cobre-cobre. Os pesquisadores determinaram que esse cobre metálico ajuda a adicionar hidrogênio aos íons nitrito, levando à formação de amônia.
Caminhos para uma Amônia Verde Mais Eficiente
Os resultados 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. Esses resultados apontam para um conjunto mais amplo de estratégias para melhorar os métodos de amônia verde e para projetar futuras gerações de eletrocatalisadores eletroquímicos.
Esta pesquisa foi apoiada pela Universidade Metropolitana de Tóquio e pelo Programa de Bolsas de Estudo Tokyo Global Partner e é baseada em resultados do projeto JPNP14004, encomendado pela Organização de Desenvolvimento de Tecnologia e Energia Nova (NEDO).