Tecnologia Científica

Químicos descobrem a chave para a produção de alimentos mais verdes
Paul Chirik, o professor de química Edwards S. Sanford, deu um passo importante em direção a essa possibilidade com uma abordagem única e fundamental para a síntese de ligações químicas.
Por Wendy Plump - 31/07/2021


O brilho da luz azul no irídio deixa-o “animado”, dando-lhe a energia para se chocar com a molécula de antraceno e transferir um átomo de hidrogênio, formando uma ligação fraca. O catalisador de irídio então ativa o gás hidrogênio, completando o ciclo. Crédito: Princeton University

Indiscutivelmente o avanço industrial mais importante (se menos conhecido) do século 20, o processo de síntese de amônia Haber-Bosch essencialmente conquistou a escassez de alimentos criando os meios para produzir fertilizantes em massa - fertilizantes então usados ​​para fortificar colheitas de alimentos ao redor do mundo.

Mas a produção de amônia - o bloco de construção do fertilizante de nitrato de amônio - gera um subproduto problemático no futuro: o dióxido de carbono. Muito: mais de duas toneladas de carbono para cada tonelada de fertilizante. É responsável por cerca de 1,4% das emissões globais de dióxido de carbono . Assim, embora o processo tenha combatido a fome em massa, ele também começou a aumentar a carga de gases do efeito estufa do planeta.

Um dos principais objetivos dos cientistas hoje é desvincular a produção de alimentos do carbono. Em parte, isso significa encontrar uma maneira de produzir fertilizantes por meio da síntese de amônia livre de carbono. Isso pode ser feito sem Haber-Bosch?

Paul Chirik, o professor de química Edwards S. Sanford, deu um passo importante em direção a essa possibilidade com uma abordagem única e fundamental para a síntese de ligações químicas. Ele e os pesquisadores em seu laboratório usam luz visível para conduzir a formação de ligações fracas de hidrogênio, que estão no cerne do desafio porque são muito difíceis de fazer.

O papel de prova de conceito do laboratório, publicado este mês na Nature Chemistry , apresenta um método simples que envolve o brilho de luz azul em um catalisador de irídio para permitir a formação de ligações fracas no ou próximo ao potencial termodinâmico - isto é, sem grandes despesas de energia - sem um subproduto de carbono.

"O grande avanço aqui é ser capaz de pegar luz e, em seguida, promover uma reação química para fazer uma ligação que é realmente fraca, que você não poderia fazer sem um estímulo externo", disse Chirik. “No passado, esse estímulo estava associado a desperdício ou consumo de eletricidade. Aqui, fazemos isso com luz.

"Temos esse mundo de catalisadores de metal que fizeram coisas incríveis - fizeram amônia, fizeram drogas, fizeram polímeros. Agora, podemos fazer ainda mais com eles quando começarmos a observar o que acontece quando esses os catalisadores absorvem a luz ", acrescentou. "Então, você está pegando algo que fazia uma química muito legal antes e está adicionando mais 50 quilocalorias.
 
"Um mundo inteiro se abre. De repente, há uma nova classe de reações que podemos pensar em fazer."

Brilhar uma luz

As ligações EH são simplesmente uma forma de denotar quaisquer ligações que você possa fazer entre o hidrogênio e outro elemento. As forças das ligações EH são altamente dependentes da estrutura química de cada elemento, mas muitas dessas ligações são fracas - instáveis ​​e inclinadas a quebrar facilmente e formar hidrogênio (H 2 ). A maioria das reações químicas é impulsionada pela formação de ligações fortes, pois a energia é liberada quando produtos mais estáveis ​​são formados. É a montagem de laços fracos que apresenta o desafio.

O laboratório de Chirik descobriu uma maneira de fazer uma ligação fraca iluminando um catalisador; neste caso, irídio.

Funciona assim: os pesquisadores escolheram uma molécula orgânica representativa, o antraceno, que atua como uma espécie de plataforma na qual a química ocorre dentro do frasco de reação. O brilho da luz azul no irídio dentro do frasco o deixa "excitado", o que significa que ele tem energia para impulsionar a reação. Nesse estado, ele se choca com a molécula de antraceno e transfere um átomo de hidrogênio para formar uma ligação fraca. O catalisador de irídio então ativa o gás hidrogênio, completando o ciclo.

A utilização de gás hidrogênio em vez de fontes de hidrogênio à base de carbono - amplamente utilizadas em síntese orgânica no passado - fornece uma maneira sustentável de fazer ligações químicas fracas sem gerar um subproduto de carbono.

Yoonsu Park, um associado de pesquisa de pós-doutorado no laboratório de Chirik e autor principal do artigo, e Sangmin Kim, um Ph.D. em 2021. graduado em laboratório, teve a ideia de usar a fotoquímica revisando laços fracos que aparecem em outras reações e extrapolando suas lições. Dois autores adicionais no artigo - Greg Scholes, o William S. Tod Professor de Química e seu aluno de graduação Lei Tian - contribuíram com insights sobre o papel da luz azul usando uma variedade de experimentos a laser.

Park também determinou qual catalisador metálico na vasta extensão da tabela periódica seria o mais eficaz para realizar a reação desejada. Saltando do trabalho de laboratório anterior feito com ródio - outro catalisador de metal raro e caro - ele rapidamente se concentrou no irídio.

Embora os cientistas ainda não estejam prontos para descartar Haber-Bosch, a prova de conceito do laboratório de Chirik é um passo inicial importante.

"Ainda não produzimos amônia de maneira catalítica. Temos um longo caminho a percorrer nesse sentido", disse Chirik. "Mas é essa ideia de aprender a fazer esses laços fracos que é tão importante.

"O que eu gosto nessa pesquisa é que é diferente. É química fundamental, o mais básico possível. Ninguém vai abrir uma fábrica nesta pesquisa amanhã. Mas estamos muito animados com o conceito e realmente esperamos que outras pessoas fazer essa química em outros contextos. "

 

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