De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade Técnica de Viena (TU Wien) demonstraram como é possível realizar a síntese de amônia movida a energia solar, utilizando luz solar, água, ar e catalisadores metal-orgânicos, através da otimização do design do catalisador. O estudo oferece insights fundamentais para o desenvolvimento de tecnologias de produção de amônia mais eficientes e sustentáveis.
Desenvolvido há mais de um século, o processo Haber-Bosch converte o nitrogênio do ar em amônia, tornando-se um componente essencial da maioria dos fertilizantes sintéticos. Atualmente, cerca de metade da produção global de alimentos depende de fertilizantes derivados da amônia, tornando o processo Haber-Bosch uma das inovações industriais mais importantes da história humana. No entanto, a energia necessária para produzir amônia é responsável por aproximadamente 1,2% das emissões globais de gases de efeito estufa, impulsionando pesquisadores em todo o mundo a buscar métodos de produção mais limpos e sustentáveis. Cientistas desenvolveram uma rota alternativa e sustentável para a síntese de amônia utilizando estruturas metal-orgânicas (MOFs) como catalisadores. Pesquisadores da TU Wien demonstraram agora que é possível ajustar especificamente a estrutura dos MOFs para regular suas propriedades catalíticas, fornecendo insights valiosos para o design de tecnologias de produção de amônia mais eficientes e sustentáveis. O projeto é resultado de uma colaboração internacional: medições-chave foram realizadas pela Virginia Tech, nos Estados Unidos, e simulações computacionais foram executadas pelo Technion – Instituto de Tecnologia de Israel.
Para produzir amônia (NH₃), é necessário primeiro ativar as moléculas de nitrogênio presentes no ar na forma de N₂, para que reajam com o hidrogênio. Esta é uma das ligações mais fortes da química, onde dois átomos de nitrogênio são unidos por uma ligação tripla extremamente estável. No processo Haber-Bosch tradicional, isso é realizado sob pressões superiores a 150 bar e temperaturas de pelo menos 400°C, condições extremas que tornam o processo altamente intensivo em energia. A natureza oferece uma abordagem mais suave: certas bactérias utilizam nitrogenases contendo ferro para ligar e transformar moléculas de nitrogênio em condições amenas. Efeitos semelhantes podem ser alcançados com estruturas metal-orgânicas (MOFs), materiais porosos onde íons metálicos se conectam a compostos orgânicos específicos para formar estruturas maiores. "Assim como nas nitrogenases naturais, também usamos ferro nos MOFs — um metal relativamente barato e facilmente disponível", afirma a Dra. Cornelia Baeckmann, da TU Wien. "A questão-chave da nossa pesquisa é: como ajustar os ligantes orgânicos para que o material possa produzir amônia?"
"Quando a luz é absorvida pelos MOFs, são gerados estados excitados, com redistribuição de carga, especialmente concentrando-se nos centros de ferro", explica o Prof. Dominik Eder, da TU Wien. "Os conectores orgânicos ao redor modulam as propriedades dos MOFs, influenciando assim seu desempenho catalítico." Dessa forma, os conectores orgânicos afetam a cinética de transferência de elétrons, a força de ligação do nitrogênio e a acessibilidade dos prótons da água circundante aos sítios ativos. Uma vez que a molécula de nitrogênio se fixa em um sítio de ferro adequado, sua ligação tripla extremamente estável é enfraquecida e se torna mais reativa, e então, através de transferências sucessivas de elétrons e prótons, a molécula é gradualmente convertida em amônia.
"Mostramos que pequenas alterações nos ligantes orgânicos podem modificar significativamente a atividade do catalisador", afirma Jana Bischoff, primeira autora do estudo e pesquisadora do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "Investigamos uma série de MOFs contendo diferentes ligantes orgânicos para entender como regular a atividade de produção de amônia." Embora o trabalho atual ainda não seja um sinal para a produção industrial de amônia, representa um passo importante nessa direção. As estruturas metal-orgânicas (MOFs) abrem novas e promissoras vias para o design personalizado de catalisadores voltados para processos energeticamente desafiadores e globalmente significativos, como a síntese de amônia.
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