Uma forma mais ecológica de produzir fertilizantes azotados
O amoníaco pode ser produzido a partir da água e do gás nitrogénio, utilizando eletricidade solar e eólica
A humanidade tem um apetite insaciável por amoníaco: esta substância é utilizada para fazer fertilizantes, que por sua vez são utilizados na maior parte da agricultura moderna. Até agora, o processo Haber-Bosch tem sido o método de eleição para extrair o azoto da atmosfera, aparentemente inesgotável, e ligá-lo sob a forma de amoníaco. No entanto, este método requer uma quantidade extremamente elevada de gás metano e de energia. Nikolay Kornienko, da Universidade de Bona, descobriu uma alternativa mais amiga do ambiente para produzir amoníaco a partir de fontes de energia renováveis. A equipa de investigação apresenta agora os seus resultados na revista Nature Communications.
Como no Jardim do Éden: Os cereais, as beterrabas e as batatas devem brotar da forma mais luxuriante possível para que os pratos fiquem bem cheios. Isto é assegurado por uma fertilização regular - especialmente com azoto. Uma fonte de nutrientes que parece nunca secar. No início do século XX, Fritz Haber e Carl Bosch desenvolveram um processo que extrai o nitrogénio do ar aparentemente inesgotável. Este feito valeu-lhes o Prémio Nobel da Química em 1918.
Utilizando um catalisador à base de ferro, uma pressão muito elevada e temperaturas até 500 graus Celsius, o processo Haber-Bosch liga o azoto do ar ao hidrogénio, produzindo amoníaco. A título de curiosidade, algumas plantas também dominam a arte de ligar o azoto atmosférico a pequenas bactérias nas suas raízes, tornando-o disponível para o seu crescimento. No entanto, as plantas verdes fazem-no de uma forma neutra para o clima, enquanto os humanos ainda não o conseguiram fazer.
"O processo Haber-Bosch é extremamente intensivo em termos energéticos", afirma o Prof. Dr. Nikolay Kornienko, do Instituto de Química Inorgânica da Universidade de Bona. A produção de amoníaco baseia-se predominantemente em combustíveis fósseis, o que significa que as emissões de gases com efeito de estufa são correspondentemente elevadas. "Para atingir o objetivo de uma sociedade sustentável e neutra para o clima, a procura de processos alternativos de síntese do amoníaco é uma prioridade", afirma Kornienko, que também é membro da área de investigação transdisciplinar "Matéria" da Universidade de Bona.
Fertilizante de azoto a partir do sol e do vento
Métodos alternativos? Há já algum tempo que estão a ser experimentados. O objetivo é substituir a síntese de amoníaco Haber-Bosch por um processo que utilize energia renovável proveniente de fontes como o sol e o vento. O hidrogénio necessário deixaria então de provir do gás metano, mas seria obtido diretamente da divisão eléctrica da água (H2O) em hidrogénio (H2) e oxigénio (O2). Parece simples? Não é. Quem quiser produzir amoníaco em grande escala utilizando energia eólica e solar tem de ultrapassar uma série de obstáculos nas vias de reação química.
"A reação de redução do azoto mediada pelo lítio (LiNRR) é considerada a forma mais robusta de eletrificar a síntese do amoníaco", afirma Hossein Bemana, o principal autor do estudo. Neste sistema, os iões de lítio (Li+) são reduzidos electroquimicamente a uma camada de lítio metálico. Este lítio metálico pode então reagir com azoto gasoso (N2) para formar um composto de lítio-nitrogénio. Se estiver disponível uma fonte de hidrogénio, o composto lítio-nitrogénio é convertido em amoníaco (NH3) e iões de lítio dissolvidos. Depois, o processo recomeça. Pelo menos, é essa a teoria.
"De um modo geral, consideramos este sistema como um modelo por enquanto, uma vez que existem várias dificuldades práticas", diz Kornienko. Uma vez que é necessária uma alta tensão para reduzir os iões de lítio a lítio metálico, a eficiência energética está limitada a cerca de 25%. Além disso, o sistema deve funcionar num ambiente isento de ar e água, uma vez que o lítio metálico é altamente reativo. Outro desafio é que, à semelhança das baterias, uma interfase porosa de eletrólito sólido (SEI) cresce sobre a camada de lítio. Esta camada deve permitir a passagem de gás nitrogénio e hidrogénio como reagentes para o lítio.
Sacrifica-se a coisa errada
O ideal seria que o hidrogénio viesse diretamente da decomposição da água. No entanto, neste sistema, os álcoois são normalmente utilizados como fonte de hidrogénio. Em alguns casos, o solvente também se decompõe e serve depois como fonte de hidrogénio. "Isto torna o sistema impraticável, uma vez que é necessário sacrificar várias moléculas de álcool ou de solvente para produzir amónio", diz o químico.
No entanto, os investigadores descobriram uma forma de extrair o hidrogénio diretamente da divisão da água e transferi-lo para o azoto. Utilizaram uma folha de paládio (Pd) como elétrodo e como membrana. "O paládio pode servir de membrana porque permite a passagem dos átomos de hidrogénio", explica Kornienko. Na experiência, a folha de Pd separou um ambiente de reação anidro, no qual ocorrem as reacções LiNRR, de um ambiente de reação à base de água. "No final, conseguimos extrair electroquimicamente átomos de hidrogénio diretamente da água e transferi-los para o material reativo de lítio/lítio-nitrogénio para produzir amoníaco", diz o químico.
Os investigadores recorreram à espetroscopia de infravermelhos e à espetrometria de massa para verificar se isto funciona realmente como pretendido. Utilizaram um isótopo pesado de hidrogénio (deutério = D) como fonte de água e produziram ND3 em vez de NH3. Por outro lado, os investigadores marcaram todas as moléculas no compartimento LiNRR com D em vez de H - como desejado, foi produzido NH3 neste caso e não ND3 como anteriormente.
Os investigadores apresentam um pedido de patente
Hossein Bemana e Nikolay Kornienko já registaram um pedido de patente para este processo. A equipa de investigação utilizou apenas eletricidade nas suas experiências para produzir amoníaco (NH3). No entanto, ainda há um longo caminho a percorrer até que o desejado adubo azotado possa ser produzido economicamente a partir de fontes de energia renováveis. Para tal, os cientistas teriam de obter um rendimento 1000 vezes superior ao das experiências actuais. "Ainda estamos na fase inicial", diz o químico. "Em geral, é necessário investigar as taxas de reação e a seletividade do sistema - o controlo dos electrões para o alvo desejado."
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