Por ser um líquido de fácil armazenamento e transporte, a amônia (NH? ) é um vetor atrativo para o hidrogênio, utilizado em células a combustível, na fabricação de semicondutores, em processos químicos e em outras aplicações. No entanto, a decomposição da amônia em hidrogênio e nitrogênio geralmente requer altas temperaturas, e a mistura gasosa resultante precisa passar por purificação adicional antes que o hidrogênio possa ser utilizado em muitas aplicações. 

Pesquisadores do MIT desenvolveram uma abordagem eletroquímica para promover a liberação de hidrogênio da amônia, separando e concentrando simultaneamente o hidrogênio em um fluxo de alta pureza. Sua estratégia, que utiliza eletricidade para acelerar a extração, reduz a temperatura e a energia necessárias para recuperar o hidrogênio da amônia e de outros transportadores de hidrogênio.

Em um novo estudo, os pesquisadores demonstraram que sua abordagem pode gerar fluxos de hidrogênio altamente concentrados e puros.

“Demonstramos a capacidade de usar a eletroquímica para impulsionar reações de desidrogenação termodinamicamente desfavoráveis e cineticamente difíceis”, afirma Yogesh Surendranath, professor titular da Cátedra Donner de Ciências e professor de química e engenharia química. “Neste caso, estudamos a conversão de amônia e de uma molécula orgânica líquida devido à sua importância como possíveis transportadores de hidrogênio para uma economia baseada no hidrogênio. Mas os conceitos que aprendemos aqui podem, em princípio, ser transpostos para outros campos, e estamos trabalhando ativamente para aplicá-los a outras reações de desidrogenação importantes.”

Surendranath é o autor correspondente do estudo, publicado hoje na revista Nature . O pós-doutorando do MIT, Rui Zeng, atualmente professor de ciência e engenharia de materiais no Instituto de Tecnologia de Harbin, em Shenzhen, China, é o autor principal do artigo.

O hidrogênio é amplamente utilizado na fabricação de semicondutores e no processamento químico, além de ser um vetor energético em células a combustível que utilizam hidrogênio e oxigênio para gerar eletricidade sem combustão. No entanto, expandir seu uso exigirá maneiras práticas de armazená-lo e distribuí-lo.

O próprio gás hidrogênio é difícil de transportar eficientemente sem compressão ou liquefação. Uma alternativa é armazenar hidrogênio quimicamente em compostos que sejam líquidos ou que possam ser facilmente liquefeitos, liberando-o onde e quando for necessário.

A amônia é um promissor vetor de hidrogênio, pois já é produzida e transportada por longas distâncias, mas a recuperação do hidrogênio a partir da amônia ainda representa um desafio. Esse processo, conhecido como "craqueamento", requer temperaturas superiores a 500 graus Celsius para atingir altas taxas de reação e conversão. O hidrogênio deve então ser separado do nitrogênio e da amônia não reagida.

“Queríamos saber se seria possível usar entradas elétricas para impulsionar o que, de outra forma, seria uma reação de desidrogenação desfavorável e, simultaneamente, fazê-lo de uma forma que separasse o hidrogênio do transportador de hidrogênio, de modo que ele ficasse muito puro e pudesse ser usado diretamente em uma célula de combustível ou outra aplicação que exija um fluxo de hidrogênio de alta pureza”, diz Surendranath. 

O elemento-chave do novo projeto dos pesquisadores é o acoplamento de uma membrana de separação à base de paládio com um eletrodo gerador de hidrogênio por meio de um eletrólito de hidróxido fundido. A membrana de separação transporta seletivamente o hidrogênio, impedindo a passagem de outros componentes da mistura reacional.

Utilizando a nova configuração, a amônia é primeiramente desidrogenada por um catalisador contendo rutênio e césio. O hidrogênio então atinge a membrana de separação, cujo lado oposto está em contato com um eletrólito de hidróxido fundido. 

O gradiente eletroquímico através desta membrana cria efetivamente um "vácuo" para o hidrogênio, fornecendo uma forte força motriz para o seu transporte através da membrana. Ele também converte o hidrogênio em prótons e elétrons, que viajam separadamente através do eletrólito fundido e do circuito externo, respectivamente, antes de se recombinarem em um segundo eletrodo para formar gás hidrogênio. 

Como a membrana transporta hidrogênio seletivamente, o sistema produz um fluxo concentrado de gás hidrogênio sem a necessidade de um processo de purificação posterior separado.

“Usando esse processo eletroquímico, conseguimos realizar esse bombeamento ativo de hidrogênio de uma baixa concentração para uma alta concentração”, diz Surendranath.

A extração contínua de hidrogênio também pode ajudar a impulsionar a reação de desidrogenação, especialmente quando a presença de hidrogênio inibe a reação. Dessa forma, essa estratégia faz mais do que separar o produto: ela altera o ambiente reacional e possibilita a recuperação de hidrogênio em condições mais brandas.

Assim, esse processo pode ser realizado a temperaturas em torno de 200 ou 300 graus Celsius, muito inferiores às necessárias para o craqueamento convencional da amônia. Outra vantagem é a criação de um fluxo puro de hidrogênio que não precisa ser purificado posteriormente — uma etapa que requer energia adicional.

Curtis Berlinguette, professor de química e engenharia química e biológica da Universidade da Colúmbia Britânica, descreveu o método como "uma nova e poderosa maneira" de resolver o problema de obter um fluxo puro de hidrogênio a partir de amônia e outros transportadores de hidrogênio. 

“Ao usar eletricidade para puxar o hidrogênio através da membrana à medida que é liberado, eles aceleram a desidrogenação da amônia e de transportadores orgânicos líquidos de hidrogênio, produzindo simultaneamente um fluxo de hidrogênio purificado. Este é um avanço importante para as ciências da energia, pois abre um caminho viável para o transporte de hidrogênio em transportadores químicos estáveis e sua liberação onde e quando for necessário”, afirma Berlinguette, que não participou da pesquisa.

Neste estudo, os pesquisadores demonstraram que essa abordagem pode ser usada para desidrogenar não apenas a amônia, mas também o metilcicloexano. Essa molécula faz parte de uma classe conhecida como transportadores orgânicos líquidos de hidrogênio (LOHCs), que também apresentam potencial como vetor energético.

Os pesquisadores preveem que sua nova estratégia poderá ser útil para aplicações em transporte, como o fornecimento de energia para carros, ônibus ou navios, ou para a fabricação de semicondutores ou componentes eletrônicos. O gás hidrogênio puro é utilizado em diversas etapas da fabricação de semicondutores, onde desempenha papéis importantes no aumento do rendimento da produção e na redução de defeitos superficiais.

Como o paládio é um metal caro, os pesquisadores estão trabalhando em maneiras de reduzir a quantidade necessária para a membrana de separação. Eles também estão trabalhando na ampliação do processo e em sua aplicação a outras reações de desidrogenação que possam ser úteis industrialmente.

A pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.