Catalisador híbrido produz fertilizantes essenciais e limpa águas residuais

Uma colaboração entre dois laboratórios da Northwestern University, em parceria com a Universidade de Toronto, descobriu que a produção do fertilizante ureia usando síntese eletrificada poderia desnitrificar as águas residuais e, ao mesmo tempo, permitir a produção de ureia com baixa intensidade de carbono. O processo, que inclui a conversão de dióxido de carbono e azoto residual através da utilização de um catalisador híbrido feito de zinco e cobre, poderia beneficiar as instalações de tratamento de água, reduzindo a sua pegada de carbono e fornecendo um potencial fluxo de receitas.

As descobertas foram publicadas hoje (11 de setembro) na revista Catálise da Natureza.

“Estima-se que o fertilizante de nitrogênio sintético sustenta metade da população global”, disse o professor da Northwestern, Ted Sargent, autor correspondente do artigo. “Uma das principais prioridades dos esforços de descarbonização é aumentar a qualidade de vida na Terra e, ao mesmo tempo, diminuir o CO2 líquido da sociedade.₂ intensidade. Descobrir como usar eletricidade renovável para alimentar processos químicos é uma grande oportunidade nesse sentido.”

Sargent é co-diretor executivo do Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia (antigo ISEN) e pesquisador multidisciplinar em química de materiais e sistemas de energia, com nomeações no departamento de química do Weinberg College of Arts and Sciences e do departamento de engenharia elétrica e de computação da Escola de Engenharia McCormick.

Na área de Sargent, muitos pesquisadores desenvolveram rotas alternativas para produzir amônia, um precursor de muitos fertilizantes, mas poucos analisaram a ureia, que é um fertilizante transportável e pronto para uso. Representa uma indústria de US$ 100 bilhões. A equipe disse que a pesquisa resultou da pergunta: “Podemos usar fontes residuais de nitrogênio, CO capturado₂e eletricidade para criar uréia?”

Olhando para trás para seguir em frente

Yuting Luo, o primeiro autor do artigo, pós-doutorado no Sargent Group e pesquisador de pós-doutorado em Banting, disse que um mergulho profundo nas referências históricas ajudou a identificar o que se tornaria seu catalisador híbrido “mágico”. Normalmente, os químicos usam ligas ou materiais mais complicados para desencadear reações, limitando-os a favorecer uma única etapa de reação por vez. “É bastante incomum juntar dois catalisadores que cooperam em modo de retransmissão”, disse Luo. “O catalisador é a verdadeira magia aqui.”

A equipe viu referências que remontam à década de 1970, sugerindo que metais puros – como zinco e cobre – podem ser úteis em processos que envolvem conversão de dióxido de carbono e nitrogênio.

Esses experimentos preliminares, que o laboratório Sargent replicou, converteram relativamente poucos dos ingredientes iniciais no produto desejado (a equipe descobriu uma eficiência de conversão em uréia de cerca de 20-30%).

Fontes de energia renováveis ​​inclinam a balança

Criar mudanças nas indústrias requer análises cuidadosas de custo-benefício que comprovem definitivamente que uma nova rota de produção acabará por compensar em termos de poupança de energia e de custos. É aí que entra a pesquisa da professora de engenharia química Jennifer Dunn. Chayse Lavallais, Ph.D. do quarto ano. estudante no laboratório de Dunn, ajudou a equipe a conduzir uma análise completa do ciclo de vida, incluindo cuidadosamente cada entrada e saída de energia em uma variedade de cenários.

“Usando uma rede média dos EUA, as emissões de energia são praticamente as mesmas”, disse Lavallais. “Mas quando se recorre a fontes renováveis, vários factores reduzem as emissões de energia, incluindo o sequestro de CO2 e os créditos de carbono armazenados em polímeros de utilização final. Numa instalação de tratamento de água, se adicionar emissões ou energia, não são encorajados a utilizar a tecnologia. . Vimos que isso não impacta significativamente os custos operacionais diários e há potencial para vender o produto.”

Eles descobriram que a eficiência de conversão precisaria chegar a 70% para ser prática.

Aperfeiçoando a proporção do “catalisador mágico”

Os pesquisadores finalmente alcançaram seu objetivo começando com um simples erro. A hipótese deles era sólida – uma camada de zinco sobre cobre resultaria em melhor desempenho. Mas inicialmente, eles não descobriram isso porque estavam aplicando uma camada de zinco muito espessa e usando uma proporção de zinco para cobre de um para um, fazendo com que o material se comportasse como se estivesse interagindo apenas com o zinco. A certa altura, alguém adicionou menos aglutinante do que o normal à mistura e um pouco de zinco foi removido, e o experimento funcionou muito bem. A equipe então ajustou os metais de acordo e determinou que uma proporção de uma parte de zinco para 20 partes de cobre resultou em um desempenho ideal.

O grupo Sargent também aplicou lentes computacionais para descobrir por que o cobre e o zinco funcionavam tão bem juntos e por que parecia ser necessária uma sinergia entre as duas reações. Como é impossível capturar essas reações visualmente – elas acontecem na escala de nanossegundos – é preciso calculá-las e determinar como os elétrons se movem durante uma reação.

Este processo teve duas seções distintas. Primeiro, o carbono deve interagir com o zinco, pois uma reação com o cobre produz uma reação fraca. No segundo estágio, o oposto é verdadeiro – o nitrogênio e o cobre criam uma reação eficiente, enquanto o zinco faz muito pouco.

Ainda há um longo caminho a percorrer antes que o processo possa ser comercializado, disseram os pesquisadores. Primeiramente, a reação tal como está não leva em conta as impurezas encontradas no contexto do tratamento de água. Eles também esperam aumentar o tempo de operação do seu processo.

O artigo, “Síntese eletroquímica seletiva de uréia a partir de nitrato e CO2 via catálise de relé em catalisadores híbridos”, foi financiado pelo Banting Postdoctoral Fellowships Program (número de concessão 01353-000).