Uma nova forma de produzir amoníaco de forma mais eficiente
Ao aumentar a produção de amoníaco, o preço da eletricidade produzida a partir do hidrogénio poderá baixar
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O amoníaco é utilizado em fertilizantes e em muitos processos industriais. É também visto como uma forma promissora de armazenar e transportar energia, uma vez que é mais seguro e mais fácil manusear o amoníaco do que o gás hidrogénio. Utilizando o plasma, o quarto estado da matéria, os cientistas criaram um material que aumenta a produção de amoníaco.
"Se precisarmos de hidrogénio industrial num local diferente daquele onde é produzido, será mais fácil e seguro transportar o hidrogénio como amoníaco e armazená-lo até ser necessário. O ideal seria, então, decompor o amoníaco onde o hidrogénio é necessário, a pedido", afirmou Emily Carter, conselheira estratégica sénior e diretora associada do laboratório da direção de Materiais Aplicados e Ciências da Sustentabilidade (AMSS) do Departamento de Energia dos EUA
(DOE) Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL). "Por isso, são necessários métodos para sintetizar e decompor o amoníaco a partir do hidrogénio de forma eficiente e barata, e estamos a trabalhar em ambos no PPPL, na divisão científica de electrofabricação do AMSS".
A investigação foi realizada por uma equipa multidisciplinar de várias instituições, incluindo o PPPL do DOE e o Laboratório Nacional de Oak Ridge, a Universidade de Princeton, a Universidade de Rutgers e a Universidade de Rowan. Um artigo científico sobre o trabalho foi recentemente publicado na ACS Energy Letters.
"O método atual de produção de amoníaco é dispendioso", afirmou Zhiyuan Zhang, candidato a doutoramento na Universidade de Rutgers-Newark e principal autor da investigação. "É necessária uma grande fábrica para produzir amoníaco utilizando processos que requerem temperaturas e pressões extremas".
Armazenamento e transporte de hidrogénio como amoníaco
O amoníaco pode ser utilizado como transportador de hidrogénio, o que significa que pode armazenar e transportar o produto químico antes de ser convertido em hidrogénio para obter energia. O hidrogénio requer grandes fábricas e instalações de armazenamento. Este novo método poderia criar amoníaco em instalações muito mais pequenas, localizadas mais perto do local onde é necessário - potencialmente até no local. Se o amoníaco tiver de ser transportado por longas distâncias, isso também será menos dispendioso.
"O hidrogénio tem uma densidade energética muito baixa e é extremamente difícil transportar o hidrogénio. O amoníaco tem uma densidade de energia mais elevada - o dobro do hidrogénio comprimido - e pode ser transportado a longas distâncias mais facilmente do que o hidrogénio", afirmou Yiguang Ju, investigador principal, físico de investigação principal, diretor de ciência de electrofabrico da PPPL e professor da Universidade de Princeton. "Isto pode abrir caminho a uma mudança transformadora no armazenamento e transporte de energia".
PPPL: Um líder em simulações de plasma a baixa temperatura
Mark Martirez, conselheiro adjunto para a ciência da sustentabilidade na AMSS e físico investigador, está agora a criar simulações de algumas das experiências descritas no novo artigo, para que a equipa possa compreender plenamente o que se passa durante a reação química a nível atómico. "As simulações são essenciais para compreender plenamente o mecanismo que as espécies químicas sofrem para produzir amoníaco a partir da água e do azoto", disse Martirez. "Só era possível adivinhar as posições dos diferentes átomos com base numa imagem da experiência. Martirez tem uma compreensão rara da química quântica envolvida no processo, que é amplamente conhecido como catálise de plasma e é um domínio relativamente novo.
Em vez de utilizar o calor e a pressão elevados necessários para a catálise térmica - a antiga abordagem para produzir amoníaco a partir de hidrogénio e azoto - o novo método utiliza eletricidade, água, azoto e plasma de baixa temperatura. No plasma de baixa temperatura, as moléculas não carregadas estão relativamente frias ou à temperatura ambiente. No entanto, os electrões estão muito quentes. Os electrões têm energia suficiente para alterar a superfície dos catalisadores, eliminando certos átomos e implantando átomos de azoto ou de hidrogénio nas suas camadas mais externas.
Um catalisador é um ingrediente que acelera as reacções químicas sem se alterar no processo. O catalisador utilizado nas experiências tem uma estrutura única, que permite transformações químicas mais eficientes do ponto de vista energético. Os cientistas chamam a esta estrutura uma complexão interfacial heterogénea (HIC).
"Os catalisadores, óxido de tungsténio e oxinitreto de tungsténio, não são novos. O que é novo é a estrutura e o método de plasma para os fabricar de forma controlável e escalável", disse Huixin He, professor da Universidade Rutgers que foi um dos principais investigadores da pesquisa.
A estrutura do catalisador é fundamental para a sua eficiência
A conceção especial do HIC ajuda a criar átomos de hidrogénio altamente activos exatamente onde são necessários para formar pequenos espaços vazios, conhecidos como vacâncias de azoto, que se adaptam perfeitamente a uma molécula de azoto. Estas caraterísticas funcionam em conjunto: Os átomos de hidrogénio convertem o azoto em amoníaco e os espaços vazios atraem mais azoto do ar para manter o processo. Este método aumenta significativamente a quantidade de amoníaco produzido em comparação com os métodos mais antigos. Também minimiza as reacções secundárias indesejadas, como a criação de hidrogénio gasoso em vez de amoníaco.
"O processo de produção deste catalisador foi reduzido de aproximadamente dois dias para 15 minutos", disse Zhang. O processo também superou outros métodos semelhantes em termos da quantidade de amoníaco gerado. Os investigadores continuarão a estudar formas de melhorar a produção de amoníaco com o catalisador HIC.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Zhiyuan Zhang, Christopher Kondratowicz, Jacob Smith, Pavel Kucheryavy, Junjie Ouyang, Yijie Xu, Elizabeth Desmet, Sophia Kurdziel, Eddie Tang, Micheal Adeleke, Aditya Dilip Lele, John Mark Martirez, Miaofang Chi, Yiguang Ju, Huixin He; "Plasma-Assisted Surface Nitridation of Proton Intercalatable WO3 for Efficient Electrocatalytic Ammonia Synthesis"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-6-22
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