Estudos apresentam três rotas inovadoras para a produção sustentável de amônia
Três estudos recentes, com participação de pesquisadores do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF) da FAPESP, o qual tem sede na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), e do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), fomentado pela FAPESP e pela empresa Shell, avançaram em novas estratégias para a produção de amônia (NH3) de maneiras mais sustentáveis. A amônia é um insumo utilizado na indústria de fertilizantes e em diferentes processos na indústria química básica, orgânica, farmacêutica e de plásticos, além de usos que se estendem à indústria alimentícia e de defesa e tecnologia, sendo matéria-prima em sistemas de refrigeração, na fabricação de explosivos e propulsores de mísseis e foguetes, entre outras aplicações estratégicas. Entretanto, a obtenção de amônia por métodos tradicionais (como o processo Haber-Bosch) consome enormes quantidades de energia e emite gases poluentes, motivando a busca por formas de produção mais limpas em todo o mundo.
Nesse sentido, um dos estudos, publicado na revista Green Chemistry, descreve um método aprimorado de síntese de amônia a partir do nitrogênio (N₂). Essa reação, chamada redução eletroquímica, pode ser conduzida em condições normais de temperatura e pressão, utilizando eletricidade. O processo ocorre com o uso do catalisador de dissulfeto de molibdênio (MoS₂), material que acelera a reação química. O desafio, no entanto, está na eficiência da reação. Isso porque ao ter corrente elétrica em água (H2O) com nitrogênio dissolvido, a reação que mais acontece não é a formação de amônia, mas a de hidrogênio (H₂). Assim, ao invés de obter NH₃ a partir do N₂, os prótons (H+) da molécula água tendem a combinar entre si. Para contornar isso, os autores recobriram o catalisador com nanopartículas de um polímero microporoso chamado PIM-1. Os poros desse material conseguiram concentrar as moléculas de nitrogênio na superfície, enquanto dificultavam a chegada da água, o que favoreceu a formação de amônia. Com esse ajuste, foi possível quase dobrar a produção de amônia em relação ao catalisador sem a modificação.
Outra pesquisa, capa da revista ChemPhysChem, apresentou uma estratégia para produzir amônia usando fotoeletrocatálise, um método que combina luz solar e eletricidade. Nesse caso, os autores construíram um eletrodo em multicamadas de diferentes materiais, como kesterita, sulfeto de cádmio e dióxido de titânio, sendo também melhorado com nanopartículas de platina. Como resultado, essa configuração permitiu obter uma síntese de amônia 28 vezes maior do que sem a platina. O trabalho também mostrou que a combinação de luz solar e eletricidade é mais eficiente do que as abordagens isoladas de fotocatálise ou eletrocatálise. Além disso, a equipe foi pioneira no uso da kesterita para a síntese de amônia. A Profa. Dra. Lucia Helena Mascaro, docente do Departamento de Química da UFSCar, pesquisadora do CINE, CDMF e do Centro de Excelência para Pesquisa em Química Sustentável (CERSusChem), é co-autora nos estudos detalhados e afirma que “Os resultados representam um avanço importante no desenvolvimento de métodos limpos e descentralizados para a produção de amônia”.
A terceira pesquisa, publicada em artigo no Journal of Materials Chemistry A, foca em um problema diferente para a obtenção de amônia: a recuperação de nitrogênio de efluentes da indústria e da agricultura. Neste estudo, a equipe descreve um eletrodo de fosfeto de níquel (Ni3P) com a superfície modificada com oxi-hidróxido de ferro (δ-FeOOH), criando um catalisador muito eficaz na conversão de nitrato (NO₃⁻) em amônia. De maneira impressionante, a eficiência faradaica (uma medida da capacidade de transferência de carga elétrica) do catalisador atingiu 98%. Isso significa que quase toda a corrente elétrica aplicada foi utilizada para a reação desejada, praticamente eliminando o desperdício de energia, o que, por consequência, pode reduzir os custos operacionais. “As três frentes de pesquisa convergem para demonstrar novas rotas limpas e eficientes na produção de amônia”, avalia Mascaro. “Juntas, essas abordagens – eletroquímica avançada, fotoeletrocatálise e recuperação de nitratos – reforçam a viabilidade de métodos descentralizados, alimentados por energia renovável, para substituir o processo Haber-Bosch e reduzir significativamente a pegada de carbono na produção de fertilizantes”. Confira cada um dos artigos e mais detalhes em matéria da Agência FAPESP: https://agencia.fapesp.br/tres-estudos-desenvolvem-novos-metodos-sustentaveis-para-produzir-amonia/55480.
Texto por Milena Rossales Castro.
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New researchs reveals three routes for the sustainable production of ammonia
Three recent studies, with the participation of researchers from the Center for the Development of Functional Materials (CDMF) of FAPESP, located at the Federal University of São Carlos (UFSCar), and the Center for Innovation in New Energies (CINE), supported by FAPESP and Shell, have advanced in new strategies for the production of ammonia (NH3) in more sustainable ways. Ammonia is used in the fertilizer industry and in different processes in the basic, organic, pharmaceutical and plastics chemical industries, in addition to uses that extend to the food and technology industries, being a raw material in refrigeration systems, in the manufacture of explosives and missile and rocket propellants, among other strategic applications. However, obtaining ammonia by traditional methods (as the Haber-Bosch process) consumes enormous amounts of energy and emits polluting gases, which has motivated the search for cleaner production methods worldwide.
In this context, one of the studies, published in the journal Green Chemistry, describes an improved method of synthesizing ammonia from nitrogen (N₂). This reaction, called electrochemical reduction, can be conducted under normal temperature and pressure conditions, using electricity. The process occurs with the use of the molybdenum disulfide (MoS₂) catalyst, a material that accelerates the chemical reaction. The challenge, however, lies in the reaction’s efficiency. When electricity passes through water (H₂O) with dissolved nitrogen, the dominant reaction is not ammonia formation but hydrogen (H₂) production. Instead of obtaining NH₃ from N₂, the protons (H⁺) from water molecules tend to combine with each other. To overcome this, the authors coated the catalyst with nanoparticles of a microporous polymer called PIM-1. The pores of this material were able to concentrate nitrogen molecules on the surface while making it difficult for water to arrive, thus favoring ammonia formation. With this adjustment, ammonia production almost doubled compared to the unmodified catalyst.
Another study, featured on the cover of ChemPhysChem, presented a strategy to produce ammonia using photoelectrocatalysis, a method that combines sunlight and electricity. In this case, the authors built a multilayer electrode from different materials, including kesterite, cadmium sulfide and titanium dioxide, also improved with platinum nanoparticles. As a result, this configuration made it possible to obtain an ammonia synthesis 28 times greater than without platinum. The study also showed that combining sunlight and electricity is more efficient than using either photocatalysis or electrocatalysis isolated. Furthermore, the team was a pioneer to use kesterite for ammonia synthesis. Professor Lucia Helena Mascaro, a senior researcher at UFSCar’s Department of Chemistry, CINE, CDMF and the Center of Excellence for Research in Sustainable Chemistry (CERSusChem), co-authored the studies and stated that “The results represent an important advance in the development of clean and decentralized methods for ammonia production”.
The third research, published in Journal of Materials Chemistry A, focuses on a different challenge for ammonia production: nitrogen recovery from industrial and agricultural wastewater. In this study, the team described a nickel phosphide (Ni₃P) electrode with its surface modified by iron oxy-hydroxide (δ-FeOOH), creating a highly effective catalyst for converting nitrate (NO₃⁻) into ammonia. Impressively, the catalyst reached a ffaradaic efficiency (a measure of the electric charge transfer effectiveness) of 98%. This means that nearly all the applied electric current was used for the desired reaction, practically eliminating energy waste, which, as a result, can reduce operational costs. “The three research fronts converge to demonstrate new clean and efficient routes for ammonia production,” evaluates Mascaro. “Together, these approaches – advanced electrochemistry, photoelectrocatalysis, and nitrate recovery – strengthen the feasibility of decentralized methods powered by renewable energy, capable of replacing the Haber-Bosch process and significantly reducing the carbon footprint of fertilizer production”. Check out each of the papers and more details in a news article by Agência FAPESP: https://agencia.fapesp.br/tres-estudos-desenvolvem-novos-metodos-sustentaveis-para-produzir-amonia/55480.