Uma equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Dandan Gao, do Departamento de Química da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), desenvolveu um novo método para a produção sustentável de amônia e ácido fórmico. A amônia é indispensável na agricultura moderna e, assim como o ácido fórmico, é uma importante matéria-prima industrial. Convencionalmente, a amônia é produzida pelo processo Haber-Bosch, que consome muita energia e causa emissões significativas de CO2. Também é possível produzir amônia por eletrólise, ou seja, utilizando corrente elétrica, mas este ainda é um campo de pesquisa relativamente recente. A eletrólise oferece uma alternativa sustentável para a produção, pois pode ser alimentada por eletricidade renovável.

"Conseguimos três avanços importantes", disse Gao, que liderou o estudo atual. "Primeiro, desenvolvemos um catalisador composto de cobre, níquel e tungstênio que aumenta significativamente o rendimento de amônia durante a eletrólise. Segundo, conseguimos aumentar ainda mais o rendimento usando eletrólise pulsada em vez de estática. E terceiro, dentro do processo eletroquímico acoplado, produzimos simultaneamente ácido fórmico como um produto adicional." O novo método foi publicado esta semana por Gao e seus colegas Christean Nickel e David Leander Troglauer na revista Angewandte Chemie International Edition .

Os pesquisadores desenvolveram um novo eletrocatalisador tandem de três componentes para permitir que a redução eletroquímica de nitrato a amônia ocorra da forma mais eficiente possível. "Escolhemos cobre, níquel e tungstênio pelos seguintes motivos", explicou Gao. "Para obter amônia a partir do nitrato , o oxigênio deve primeiro ser removido do nitrato — essa etapa é catalisada pelo cobre. Em seguida, o hidrogênio deve ser gerado, e é aí que o níquel demonstra sua força catalítica. "

"Por fim, o hidrogênio não deve escapar para a atmosfera nem sofrer reações secundárias, mas sim se ligar seletivamente ao nitrogênio — essa é a função do tungstênio. Comparado a catalisadores tandem de cobre e níquel, que já eram considerados promissores, nosso catalisador alcança rendimentos de amônia mais de 50% superiores", disse Gao.

O uso da eletrólise pulsada em vez da eletrólise estática aumenta o rendimento em mais 17%. A configuração é idêntica em ambos os casos. A única diferença reside no potencial elétrico aplicado aos eletrodos. Na eletrólise estática, a voltagem permanece constante, enquanto na eletrólise pulsada ela alterna continuamente entre dois valores de voltagem.

Em todo processo de eletrólise, não apenas ocorre uma reação de redução no cátodo, mas também uma reação de oxidação no ânodo. "Normalmente, trata-se da oxidação da água, que produz oxigênio", disse Gao. No entanto, o oxigênio não é particularmente valioso nem tem alta demanda industrial. No novo método, os pesquisadores substituem a oxidação da água pela oxidação do glicerol, um resíduo da produção de biodiesel. Isso produz ácido fórmico, amplamente utilizado na indústria, por exemplo, como precursor de produtos químicos e farmacêuticos.

"Dessa forma, podemos obter dois produtos valiosos simultaneamente: amônia no cátodo e ácido fórmico no ânodo", disse Gao. "O acoplamento estratégico das duas reações destaca o potencial desse método para produzir, de forma sustentável, produtos químicos de alto valor agregado por meio de eletrólise acoplada com eficiência energética."