Nos bastidores da síntese do amoníaco
Desvendar os segredos do catalisador
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Os investigadores do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck, em colaboração com o Instituto Max Planck de Conversão de Energia Química e a Clariant, revelaram novos conhecimentos sobre os complexos sistemas de catalisadores utilizados na produção industrial de amoníaco. Ao examinar a evolução estrutural desses catalisadores, o estudo destaca o papel fundamental dos promotores no aumento do desempenho e da estabilidade.
© FHI
Revelando os segredos do catalisador
O processo Haber-Bosch, uma pedra angular da produção industrial de amoníaco, manteve-se praticamente inalterado durante mais de um século. No entanto, os investigadores dos Departamentos de Química Inorgânica e Ciência das Interfaces do Instituto Fritz Haber, do Instituto Max Planck para a Conversão de Energia Química e da Clariant fizeram progressos significativos na compreensão mecanicista do catalisador industrial altamente complexo que impulsiona este processo. Utilizando técnicas avançadas de caraterização, como a microscopia eletrónica de varrimento operando e a espetroscopia de fotoelectrões de raios X a pressão quase ambiente, a equipa descodificou as complexas interações existentes nos catalisadores de síntese de amoníaco multipromovidos.
Thomas Lunkenbein, o autor correspondente, declarou: "A nossa investigação fornece uma compreensão mais profunda do funcionamento interno do catalisador, revelando como os promotores e as transformações estruturais contribuem para a sua eficiência e estabilidade. Este conhecimento é crucial para o desenvolvimento de catalisadores da próxima geração que sejam simultaneamente mais eficazes e sustentáveis."
O papel crítico da ativação
O estudo revela que a fase de ativação é crucial para a formação da configuração do catalisador ativo. Durante esta fase, a interação de várias fases promotoras facilita a transformação da estrutura do catalisador numa entidade porosa com uma cobertura de superfície especial, abrindo caminho para o seu melhor desempenho e longevidade.
Promotores: Os heróis desconhecidos
Os promotores, incluindo os óxidos de potássio, cálcio e alumínio, são vitais para estabilizar a estrutura do catalisador e aumentar a sua atividade. Estes elementos trabalham em conjunto para criar fases semelhantes ao cimento - um ingrediente importante para um catalisador robusto e eficiente capaz de sustentar a síntese de amoníaco durante longos períodos. Além disso, verificou-se que o amoníaco K - uma forma especial de espécies de K+ altamente dispersas - é o estimulador da reação catalítica. A investigação salienta a importância da estrutura porosa hierárquica do catalisador, que é estabilizada por fases minerais. Esta arquitetura não só aumenta a durabilidade do catalisador como também a sua resistência à desativação, assegurando um desempenho consistente em ambientes industriais.
Um legado de inovação
O Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck tem uma longa história no campo da síntese de amoníaco, marcada por realizações inovadoras que moldaram a química industrial moderna. O homónimo do instituto, Fritz Haber, foi galardoado com o Prémio Nobel da Química em 1918 pelo seu trabalho pioneiro na síntese de amoníaco a partir dos seus elementos, um processo que revolucionou a produção de fertilizantes agrícolas. Décadas mais tarde, em 2007, Gerhard Ertl, antigo diretor do instituto, recebeu o Prémio Nobel da Química pelos seus estudos de processos químicos em superfícies sólidas, avançando ainda mais na compreensão das reacções catalíticas, sendo um dos principais exemplos a profunda visão mecanicista que forneceu sobre os processos de síntese do amoníaco através da utilização de catalisadores modelo. Esta rica tradição de excelência continua a inspirar e a impulsionar a investigação inovadora no instituto, tal como evidenciado pelos mais recentes conhecimentos sobre sistemas de catalisadores industriais multipromovidos para a produção de amoníaco.
Conclusão
Este estudo lança luz sobre a intrincada dinâmica dos catalisadores de síntese de amoníaco, oferecendo conhecimentos valiosos que poderão abrir caminho a futuras inovações na química industrial, incluindo a forte necessidade de considerar a natureza dinâmica das superfícies catalíticas activas durante o trabalho. Ao compreender o papel dos promotores e o papel crítico do processo de ativação, os investigadores podem desenvolver catalisadores mais eficientes e sustentáveis para a produção de amoníaco. Dr. Robert Schlögl, que, juntamente com a equipa de excelentes cientistas, conduziu a esta importante contribuição científica.
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Publicação original
Luis Sandoval-Díaz, Raoul Blume, Kassiogé Dembélé, Jan Folke, Maxime Boniface, Frank Girgsdies, Adnan Hammud, Zahra Gheisari, Danail Ivanov, René Eckert, Stephan Reitmeier, Andreas Reitzmann, Robert Schlögl, Beatriz Roldan Cuenya, Holger Ruland, Axel Knop-Gericke, Thomas Lunkenbein; "Decoding technical multi-promoted ammonia synthesis catalysts"; Nature Communications, Volume 16, 2025-8-21
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