MIT desenvolve novo método de triagem de catalisadores para síntese eletroquímica de amônia

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um novo método para a triagem de catalisadores na síntese eletroquímica de amônia, que, ao identificar as propriedades físicas-chave que impulsionam a atividade catalítica, reduz significativamente o tempo de busca por catalisadores eficientes entre uma vasta gama de combinações de ligas, fornecendo suporte para uma rota de produção de amônia de baixa emissão que substitui o tradicional processo Haber-Bosch.

A amônia é um produto químico importante com produção anual superada apenas pela do ácido sulfúrico, sendo utilizada principalmente na fabricação de fertilizantes. Atualmente, a produção de amônia consome cerca de 2% da energia global e responde por aproximadamente 1,5% das emissões de gases de efeito estufa. Mais de 90% da produção atual ainda utiliza o processo Haber-Bosch, empregado há mais de cem anos, que depende de combustíveis fósseis para fornecer o calor da reação, sendo a etapa de geração de hidrogênio também majoritariamente baseada em combustíveis fósseis. A síntese eletroquímica de amônia evita condições de alta temperatura e alta pressão, mas sua taxa de produção e eficiência reacional ainda são insuficientes para sustentar aplicações industriais. O consumo global anual de amônia é de cerca de 200 milhões de toneladas métricas, e encontrar métodos de produção mais eficientes em termos energéticos e com menor teor de carbono tornou-se um desafio para o setor.

A equipe de pesquisa concentrou-se no sistema de materiais de nitretos de metais de transição. O nitrogênio intrínseco desses compostos participa da reação, fornecendo parte da energia para as etapas subsequentes, o que ajuda a superar o principal gargalo da reação de redução de nitrogênio — a alta energia necessária para quebrar a forte ligação na molécula de nitrogênio. No entanto, todo o caminho reacional ainda é limitado por etapas como a dissociação do nitrogênio e a transferência de hidrogênio. Bilge Yildiz, professora dos Departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, afirmou que a equipe primeiro avaliou a relação entre as propriedades microestruturais dos materiais e a atividade de redução de nitrogênio, e em seguida utilizou simulações de teoria do funcional da densidade (density functional theory) e aprendizado de máquina para identificar os gargalos reacionais, prevendo quais combinações de ligas poderiam superá-los.

O desenvolvimento tradicional de catalisadores depende de tentativa e erro em milhões de ligas, um processo que leva anos. O novo método desloca o escopo da triagem de uma busca aleatória para uma previsão direcionada baseada em propriedades físicas. Athanitis afirmou que, se for possível encontrar um catalisador que reduza simultaneamente a energia necessária para a reação e aumente a seletividade para a amônia, será possível aumentar a produção de amônia enquanto se reduzem as reações secundárias.

Dane Morgan, professor de engenharia da Universidade de Wisconsin (University of Wisconsin), avaliou que este trabalho ajuda a elucidar a relação entre as propriedades eletrônicas fundamentais dos materiais e sua atividade catalítica, podendo fornecer orientação para o projeto de catalisadores de nova geração para a produção de amônia. Ele também observou que o estudo ainda se encontra em fase teórica, e os materiais ainda não foram fabricados e testados na prática, sendo necessárias inúmeras etapas adicionais desde a triagem computacional até a obtenção de catalisadores práticos. A equipe de pesquisa planeja, como próximo passo, construir uma célula de reação funcional para avaliar o desempenho de produção de amônia dos materiais candidatos sob condições operacionais reais.