A amônia é um dos produtos químicos mais importantes produzidos no mundo, ficando atrás apenas do ácido sulfúrico em volume total produzido anualmente. Ela é usada principalmente na fabricação de fertilizantes, essenciais para alimentar a população mundial. No entanto, sua produção responde por até 2% do consumo mundial de energia e cerca de 1,5% das emissões de gases de efeito estufa, o que motiva a busca por maneiras de produzir amônia de forma mais sustentável.

O método tradicional de produção de amônia, utilizado há mais de um século e responsável pela grande maioria da produção mundial, é o processo Haber-Bosch, que utiliza combustíveis fósseis para fornecer o calor necessário. O hidrogênio usado no processo também é produzido em grande parte a partir de combustíveis fósseis.

Existe outra maneira, usando eletroquímica em vez de calor e pressão, mas até agora esse método não se mostrou economicamente competitivo nas escalas necessárias.

Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um método para prever quais materiais podem ser mais promissores como catalisadores na produção eletroquímica de amônia. Os catalisadores ajudam a impulsionar reações químicas, e suas propriedades determinam a eficiência com que essas reações ocorrem. Em vez de usar o método de tentativa e erro para testar cada combinação possível dentre os milhões de ligas possíveis — o que pode levar anos —, a nova abordagem pode acelerar significativamente a busca por materiais que tornem esse método de baixa emissão competitivo com o processo Haber-Bosch. 

“Nossa abordagem identifica as principais propriedades físicas que impulsionam a atividade catalítica na produção de amônia”, afirma Bilge Yildiz, professora titular da Cátedra Breen M. Kerr nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE). Os resultados podem orientar a busca por compostos catalíticos novos e mais eficazes.

Os resultados, de acesso aberto, foram publicados em 11 de agosto no periódico EES Catalysis da Royal Society of Chemistry , em um artigo de autoria de Yildiz e dos doutorandos Constantine Athanitis, do DMSE, e Filip Grajkowski, do Departamento de Química. 

Com o crescimento da população mundial, diz Athanitis, "precisaremos de cada vez mais alimentos, e a única razão pela qual conseguimos sustentar tantas pessoas é graças aos fertilizantes". Mas mais de 90% da amônia necessária para fertilizantes ainda é produzida pelo processo Haber-Bosch, que consome muita energia e "foi hiperotimizado desde que surgiu há mais de um século", afirma ele.

“Se estamos tentando nos manter alinhados com as metas de sustentabilidade, energia e mudanças climáticas da sociedade, precisamos encontrar uma alternativa”, explica ele. O mundo usa atualmente cerca de 200 milhões de toneladas métricas de amônia por ano, “então, idealmente, queremos encontrar uma maneira de produzir a mesma quantidade de amônia, ou até mais, mas de forma mais eficiente em termos energéticos e com menores emissões de CO2 ” , afirma.

Usar eletricidade para produzir amônia não é uma ideia nova. "Na verdade, trata-se da reação eletroquímica entre pares de prótons e elétrons e gás nitrogênio. E essas tecnologias já existem", afirma. A abordagem utiliza os mesmos princípios básicos dos eletrolisadores, que usam eletricidade para impulsionar reações químicas em dispositivos.

Mas, embora o processo funcione, não é eficiente o suficiente para a produção em escala industrial. "As taxas de produção e os rendimentos ainda são muito baixos", diz Athanitis. "Mesmo que uma tecnologia seja melhor para o mundo ou para o clima, as empresas e o capitalismo não a permitirão a menos que seja competitiva em termos de custos."

Como tornar o processo mais competitivo? O ingrediente-chave no processo eletroquímico é um catalisador metálico, cujas propriedades governam a reação que ocorre em sua superfície. "Se conseguirmos encontrar um catalisador que reduza a energia necessária e seja mais seletivo para a produção de amônia", diz Athanitis, "então poderíamos essencialmente ganhar na loteria". Um catalisador mais seletivo produziria mais amônia, reduzindo as reações secundárias indesejadas.

Mas encontrar esse catalisador ideal não é simplesmente uma questão de identificar um material perfeito. Materiais diferentes podem melhorar diferentes partes da reação, e os pesquisadores estão buscando combinações que possam tornar a produção de amônia eficiente, acessível e prática em larga escala.

“Os compostos de nitreto metálico constituem um sistema de materiais ideal para esta reação e para identificar as propriedades eletrônicas, químicas e estruturais que determinam a reatividade na redução de nitrogênio e na eletrossíntese de amônia”, afirma Yildiz. 

Metais de transição podem formar ligas de nitreto promissoras para esse fim e, historicamente, "a pesquisa de materiais tem sido praticamente feita por tentativa e erro", diz Athanitis.

O processo usual é pegar algum material existente e "ajustá-lo de alguma forma", diz ele. "Tudo é guiado, em certa medida, pela intuição científica e química." 

Atualmente, ferramentas computacionais estão sendo cada vez mais utilizadas para modelar as interações físicas e prever resultados. Um método chamado teoria do funcional da densidade utiliza a mecânica quântica para simular as propriedades e o comportamento dos materiais, permitindo que os pesquisadores prevejam como diferentes arranjos atômicos podem se comportar antes mesmo de criá-los em laboratório. Em vez de buscar aleatoriamente entre todas as combinações possíveis de ligas, Yildiz afirma: “primeiro avaliamos quais propriedades microscópicas do material o tornam eficaz para a redução de nitrogênio”. 

Para catalisadores de produção de amônia, “estamos considerando nitretos de metais de transição”, diz Athanitis, porque eles se mostraram eficazes nessas reações eletroquímicas de nitrogênio. Eles são especialmente eficazes porque “o nitrogênio inerente ao próprio catalisador se torna parte da reação”.

Isso produz uma série de etapas químicas em que uma etapa fornece parte da energia necessária para impulsionar a próxima, reduzindo a quantidade de energia de entrada necessária. Isso ajuda a resolver um dos principais gargalos na reação de redução do nitrogênio: a alta energia necessária para quebrar as fortes ligações nas moléculas de nitrogênio, afirma ele.

Mas o processo está longe de ser perfeito, diz Athanitis. Ele ainda é limitado por certas etapas ao longo do caminho da reação, incluindo a dissociação do nitrogênio e a transferência de hidrogênio. O estudo tentou identificar esses gargalos e, com a ajuda do aprendizado de máquina, determinar quais ligas desses metais poderiam superá-los.

Com esse entendimento, "isso pode nos dar insights e abrir possíveis estratégias sobre como podemos ajustar esses materiais para criar catalisadores de nitreto melhores da próxima geração", diz Athanitis.

A abordagem é um "trabalho empolgante" que pode ajudar a desenvolver uma base para o projeto de novos catalisadores para a produção de amônia, afirma Dane Morgan, professor de engenharia da Universidade de Wisconsin, que não participou deste estudo.

“Este trabalho ajuda a esclarecer como as propriedades eletrônicas fundamentais de um material se relacionam com seu papel como catalisador na produção de amônia”, diz Morgan. “Essa compreensão pode orientar os pesquisadores no desenvolvimento de novos catalisadores, tanto por meio de uma melhor compreensão qualitativa quanto pela aceleração da triagem computacional.” 

Até o momento, o estudo é puramente teórico: os pesquisadores utilizaram modelos computacionais para identificar ligas promissoras, mas esses materiais ainda precisam ser produzidos e testados. Morgan observa que “traduzir esses cálculos em catalisadores práticos exigirá muitas etapas adicionais, portanto, um impacto significativo no mundo real provavelmente ainda está distante”.

O próximo passo será construir uma célula de reação funcional, um dispositivo de laboratório que utiliza o catalisador para produzir amônia e testar seu desempenho em condições reais de operação. "Para que isso realmente tenha um impacto na sociedade, precisamos levar a tecnologia para o laboratório experimental", afirma Athanitis.

“Sempre houve esforços para expandir os limites do possível”, acrescenta. “Gostamos de pensar que ultrapassamos os limites dos materiais de campanha aqui, indo além do que se imaginava antes, e esperamos estar quase lá. Mas mesmo que não estejamos quase lá, ainda estamos avançando na direção certa.”