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A reação de Haber-Bosch ajuda a alimentar o mundo convertendo nitrogênio em amônia, um precursor de fertilizantes. No entanto, sua pegada de carbono é enorme: essa reação é a fonte de quase 2% das emissões globais de carbono. Agora, em um estudo recentemente publicado na Cartas de Energia ACSpesquisadores da Universidade de Osaka ajudaram a reimaginar essa reação para melhorar a sustentabilidade da indústria química.
Substituir a reação de Haber-Bosch por uma alternativa mais sustentável tem sido uma área ativa de pesquisa por muitos anos. Esses esforços levaram a uma reação eletroquímica globalmente bem estabelecida para a síntese de amônia. No entanto, os esforços para otimizar essa reação são prejudicados pela compreensão insuficiente de como ela ocorre. Um consenso geral é a necessidade de minimizar a concentração de água na reação tanto quanto possível. Revisitar esse consenso – com o objetivo de fornecer detalhes da reação química que serão úteis para otimizar a produção de amônia – é o problema que os pesquisadores buscaram resolver.
“Existem várias maneiras criativas de melhorar a eficiência faradaica aumentando a pressão parcial ou a solubilidade do nitrogênio”, explica Yu Katayama. “Complementamos esses estudos mostrando que a água residual pode facilitar o progresso da reação.”
Os pesquisadores relatam uma concentração de água residual (ca. 36 milimolar) e uma concentração de perclorato de lítio (0,8 molar) que resulta em uma eficiência faradaica de ca. 28% à pressão atmosférica. Essa seletividade é a mais alta relatada até hoje à pressão ambiente, sem usar um eletrodo de difusão de gás.
“Experiências de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X indicam que a seletividade é atribuível em parte ao traço de água que facilita a incorporação de óxido de lítio na interfase de eletrólito sólido”, diz Katayama. “Concentrações de água mais altas podem facilitar a evolução do hidrogênio, uma reação indesejada”. “Este resultado surpreendente só pode ser encontrado com ajuda e discussão com pesquisadores do ICL. Acredito que o resultado enfatiza a importância da colaboração em pesquisa.”
Este trabalho conseguiu melhorar a eficiência faradaica da redução de nitrogênio em amônia à pressão ambiente por meios diretos e descobrir a química que leva a esse resultado. O ajuste fino dos parâmetros do processo químico melhorou drasticamente a saída dessa reação. Assim, existem muitos sistemas eletroquímicos anteriormente descontados que podem valer a pena revisitar para futuros esforços de pesquisa que investiguem seus mecanismos detalhados. Os pesquisadores estão agora mais perto de otimizar a síntese de precursores de fertilizantes na indústria e minimizar a pegada de carbono de sua produção.
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