Campo magnético durante a síntese do catalisador triplica o rendimento do amoníaco
Uma estratégia escalável para o desenvolvimento de electrocatalisadores da próxima geração para uma produção química eficiente e sustentável
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A aplicação de um campo magnético externo durante a síntese de electrocatalisadores de CoFe₂O₄ triplica o rendimento de amoníaco durante a conversão electrocatalítica. O campo magnético altera os estados de superfície dos filmes finos de óxido de espinélio, tornando os locais cataliticamente ativos mais acessíveis. Na revista "Advanced Functional Materials", uma equipa liderada por Marcel Risch, da HZB, e Sanjay Mathur, da Universidade de Colónia, demonstra uma estratégia escalável para o desenvolvimento de electrocatalisadores da próxima geração para uma produção química eficiente e sustentável.
A microscopia eletrónica de varrimento mostra películas finas de CoFe2O4 após a sua utilização como electrocatalisador para a síntese de amoníaco a partir de nitratos. A superfície significativamente mais "áspera" do CoFe2O4 produzido a 1 Tesla é particularmente notável.
© S. Mathur /Univ. Cologne
Desde a indústria química e a economia do hidrogénio até à produção de fertilizantes à base de amoníaco, as novas tecnologias de catalisadores são a chave para uma maior sustentabilidade e eficiência. Tomemos como exemplo a síntese do amoníaco: o conhecido processo Haber-Bosch consome entre 1 e 2% da energia mundial e é responsável por quase 1% das emissões anuais de gases com efeito de estufa. No entanto, o processo Haber-Bosch, que consome muita energia, já não é a única opção. Uma nova abordagem baseia-se na conversão eletroquímica do nitrato em amoníaco. O nitrato acumula-se em grandes quantidades como chorume na agricultura intensiva e é particularmente prejudicial para os cursos de água. No entanto, são necessários catalisadores adequados para suprimir a formação de hidrogénio e de subprodutos contendo azoto durante a conversão de nitrato em amoníaco. A este respeito, a classe de óxidos de metal de transição espinélio é considerada particularmente promissora a este respeito, especialmente filmes finos de CoFe₂O₄.
Um campo magnético externo aplicado durante a síntese destes catalisadores pode aumentar enormemente a sua eficiência e seletividade, como demonstrado por um estudo liderado pelo Dr. Marcel Risch, HZB, e pelo Prof. Dr. Sanjay Mathur, da Universidade de Colónia. Dr. Sanjay Mathur, da Universidade de Colónia. "Ao aplicar um campo magnético durante a deposição química de vapor, o nosso objetivo era adaptar os estados da superfície e a distribuição de catiões nas películas finas de CoFe₂O₄ para criar electrocatalisadores de engenharia de superfície mais eficientes", afirma Mathur, que liderou a síntese dos materiais. Esta suposição foi confirmada muito claramente.
As camadas de CoFe₂O₄ produzidas sob um campo magnético de 1 T tiveram o melhor desempenho: em comparação com o CoFe₂O₄ produzido sem um campo magnético, produziram três vezes mais amoníaco, demonstrando a eficácia da engenharia de superfície controlada por campo magnético. Ao comparar o rendimento em amoníaco do catalisador CoFe₂O₄-1T com o do óxido de ferro puro Fe3O4-1T, também sintetizado sob um campo magnético de 1 Tesla, o rendimento em amoníaco foi várias vezes (22 vezes) superior. Este facto demonstra que o cobalto desempenha um papel decisivo na redução do nitrato. Cálculos DFT suplementares confirmam que o cobalto suprime efetivamente a reação concorrente de evolução do hidrogénio, promovendo simultaneamente a conversão do nitrato. "O campo magnético aplicado estabiliza os iões Co²⁺ cataliticamente activos em locais octaédricos, o que evidentemente reduz as barreiras cinéticas para a redução do nitrato", explica Risch.
O estudo demonstra que, a par da temperatura e da pressão, um campo magnético serve de parâmetro eficaz para controlar a distribuição de catiões, as estruturas de domínio magnético e os estados de superfície a nível atómico durante o crescimento de catalisadores de película fina. Embora o campo magnético só seja aplicado durante o crescimento da película fina, as melhorias continuam a ter um efeito positivo duradouro mesmo durante o funcionamento eletroquímico sem campo. Isto torna a nossa abordagem particularmente promissora para aplicações práticas, uma vez que não é necessário um campo magnético externo durante a eletrólise", afirma Risch.
Imagens tiradas com um microscópio eletrónico de varrimento mostram que as superfícies das películas finas de CoFe2O4 são sistematicamente muito mais ásperas - e portanto maiores - quanto mais forte for o campo magnético durante a síntese. Esperamos que estes resultados estimulem uma exploração mais ampla das estratégias assistidas por campo magnético para a adaptação de electrocatalisadores", afirma Mathur.
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
Touraj Karimpour, Younes Mousazade, Simon Diel, Shilendra Kumar Sharma, Tisita Das, Nathália C. Verissimo, Thomas Fischer, Ziyaad Aytuna, Andreas Lichtenberg, Sudip Chakraborty, Marcel Risch, Sanjay Mathur; "Magnetic-Field Control of Surface States in CoFe2O4 Thin Films for Nitrate Electroreduction to Ammonia"; Advanced Functional Materials, 2026-5-31
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