Um passo em frente na produção de amoníaco a energia solar
Os catalisadores MOF contendo ferro permitem a síntese de amoníaco sem as condições extremas do processo Haber-Bosch.
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Luz solar, água, ar e catalisadores metalorgânicos – pode ser tudo o que é preciso: a TU Wien demonstrou como é possível aperfeiçoar a conceção de catalisadores para a síntese de NH₃ impulsionada pela energia solar.
Sem esta tecnologia química, alimentar o mundo tal como o conhecemos seria quase impossível. O processo Haber–Bosch, desenvolvido há mais de um século, converte o azoto do ar em amoníaco – o ingrediente-chave na maioria dos fertilizantes sintéticos. Atualmente, cerca de metade da produção alimentar mundial depende de fertilizantes derivados do amoníaco, tornando o processo Haber–Bosch uma das inovações industriais mais importantes da história da humanidade.
Apesar dos seus enormes benefícios, o processo Haber–Bosch acarreta um custo ambiental significativo. A energia necessária para produzir amoníaco representa cerca de 1,2% das emissões globais de gases com efeito de estufa, motivando investigadores de todo o mundo a procurar métodos de produção mais limpos e sustentáveis. Utilizando estruturas metal-orgânicas (MOFs) como catalisadores, os cientistas desenvolveram uma via alternativa sustentável para a síntese de amoníaco. Investigadores da TU Wien demonstraram agora que as estruturas MOF podem ser especificamente ajustadas para modular o seu desempenho catalítico, proporcionando informações valiosas para a conceção de tecnologias de produção de amoníaco mais eficientes e sustentáveis.
O projeto de investigação foi realizado em colaboração com equipas internacionais: dados de medição importantes vieram da Virginia Tech, nos Estados Unidos, enquanto as simulações computacionais foram realizadas no Technion – Instituto de Tecnologia de Israel.
Uma das ligações mais fortes da química
«Temos de quebrar uma das ligações mais fortes da química», afirma Jana Bischoff, do Instituto de Química dos Materiais da TU Wien, primeira autora do presente estudo. No ar, o azoto existe sob a forma de moléculas de N₂, nas quais dois átomos de azoto estão ligados por uma ligação tripla extremamente estável. Para produzir amoníaco (NH₃), esta molécula de N₂ tem primeiro de ser ativada, permitindo que os átomos de azoto reajam com o hidrogénio.
No processo Haber-Bosch, utilizado há mais de 100 anos, isto é conseguido através de pressões superiores a 150 bar e temperaturas de, pelo menos, 400 °C. Estas condições extremas tornam o processo altamente intensivo em energia.
A natureza faz isso de forma mais suave
Em princípio, as moléculas de azoto podem ser convertidas de uma forma diferente — não através de pressões e temperaturas extremas, mas com a ajuda de catalisadores cuidadosamente concebidos. A natureza serve de inspiração: certas bactérias utilizam a enzima nitrogenase, que contém ferro e é capaz de ligar moléculas de azoto e convertê-las em condições suaves.
Algo semelhante pode ser alcançado com estruturas metal-orgânicas, ou MOFs. Trata-se de materiais porosos nos quais iões metálicos estão ligados a compostos orgânicos específicos para formar uma estrutura maior. «Tal como na nitrogenase natural, também utilizamos ferro nas nossas estruturas metal-orgânicas — um metal relativamente barato e facilmente disponível», afirma a Dra. Cornelia Baeckmann, da TU Wien. «A questão central da nossa investigação foi: como podemos adaptar os ligantes orgânicos para que o material seja capaz de produzir amoníaco?»
“Quando a luz é absorvida por uma estrutura metal-orgânica, gera-se um estado excitado no qual a carga elétrica é redistribuída, particularmente em direção aos centros de ferro”, afirma o Prof. Dominik Eder (TU Wien): “Os ligantes orgânicos circundantes modulam as propriedades da MOF e, consequentemente, o seu desempenho catalítico. “Desta forma, influenciam a cinética de transferência de eletrões, a força de ligação do azoto e a acessibilidade dos protões da água circundante para atingirem o sítio ativo.
Assim que uma molécula de azoto se liga a um sítio de ferro adequado, a sua ligação tripla extremamente estável enfraquece-se e torna-se mais reativa. A molécula pode então ser gradualmente convertida em amoníaco através de transferências sucessivas de eletrões e protões.
Um passo importante rumo a novas tecnologias
“Demonstramos que pequenas alterações nos ligantes orgânicos podem alterar significativamente a atividade do catalisador”, afirma Jana Bischoff. “Investigámos uma série de estruturas metal-orgânicas contendo diferentes ligantes orgânicos, a fim de compreender como a atividade de produção de amoníaco pode ser ajustada.”
O presente trabalho ainda não é um sinal de partida para a produção industrial de amoníaco, mas é um passo importante nessa direção. As estruturas metal-orgânicas (MOFs) abrem novas vias promissoras para o desenho de catalisadores à medida para processos energeticamente desafiantes e globalmente importantes, como a síntese de amoníaco.
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
Jana Bischoff, Cornelia von Baeckmann, Shaghayegh Naghdi, Adrian Ertl, Vasily Vorobyev, Anastasiia Naryshkina, Lakhanlal, Hanspeter Kählig, Laura Kronlachner, Robert T. Woodward, Freddy Kleitz, Andreas Limbeck, Maytal Caspary Toroker, Amanda J. Morris, Dominik Eder; "Photocatalytic Ammonia Synthesis using Fe-Based MOFs: The Role of Ligand Functionalization"; Journal of the American Chemical Society, Volume 148, 2026-5-19
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