Pesquisadores da Universidade de Estocolmo alcançaram um avanço no estudo de superfícies de catalisadores na produção de amônia, superando desafios anteriores no processo Haber-Bosch. Este avanço, facilitado por um novo instrumento de espectroscopia de fotoelétrons, promete materiais catalisadores mais eficientes para uma indústria química mais verde e uma redução na dependência de combustíveis fósseis. A imagem acima ilustra como a reação catalítica de superfície fornece a base para a agricultura. Crédito: David Degerman, pós-doutorado, Departamento de Física, Universidade de Estocolmo
Pela primeira vez, cientistas da Universidade de Estocolmo estudaram as superfícies dos catalisadores de ferro e rutênio durante a formação de amônia a partir do nitrogênio e do hidrogênio. Suas descobertas, que oferecem insights mais profundos sobre o processo catalítico e o potencial para a descoberta de materiais mais eficientes, foram publicadas na revista Natureza. Esta investigação abre caminho para uma mudança mais ecológica na indústria química, que é atualmente marcada por elevadas emissões de CO2.
O amoníaco, produzido no processo Haber-Bosch, é atualmente um dos produtos químicos de base mais essenciais para a produção mundial de fertilizantes, com uma produção anual de 110 milhões de toneladas. O jornal Natureza propôs em 2001 que o processo Haber-Bosch foi a invenção científica mais crítica para a humanidade durante o século XX, uma vez que salvou cerca de 4 mil milhões de vidas de pessoas ao prevenir a fome em massa. Uma estimativa do conteúdo de nitrogênio em nossos corpos ADN e proteínas mostra que metade dos átomos pode ser derivada de Haber-Bosch.
Desafios no estudo do processo Haber-Bosch
“Apesar de 3 Prêmios Nobel (1918, 1931 e 2007) para o processo Haber-Bosch, não foi possível investigar experimentalmente a superfície do catalisador com métodos sensíveis à superfície sob condições reais de produção de amônia; técnicas experimentais com sensibilidade superficial a pressões e temperaturas suficientemente altas não foram alcançáveis. Consequentemente, diferentes hipóteses sobre o estado do catalisador de ferro como metálico ou nitreto, bem como a natureza do intermediário espécies de importância para o mecanismo de reação, não pôde ser verificado de forma inequívoca”, diz Anders Nilsson, professor de Física Química na Universidade de Estocolmo.
O instrumento de espectroscopia de fotoelétrons foi construído na Universidade de Estocolmo e permite estudos de superfícies de catalisadores sob altas pressões. Crédito: Peter Amman
“O que possibilitou este estudo é que construímos um instrumento de espectroscopia de fotoelétrons em Estocolmo que permite estudos de superfícies de catalisadores sob altas pressões. Assim, pudemos observar o que acontece quando a reação ocorre diretamente”, diz David Degerman, pós-doutorado em Física Química na Universidade de Estocolmo. “Abrimos uma nova porta para a compreensão da catálise da produção de amônia com nosso novo instrumento, onde agora podemos detectar intermediários de reação e fornecer evidências do mecanismo de reação.”
“Ter o nosso instrumento de Estocolmo numa das fontes de raios X mais brilhantes do mundo, no PETRA III em Hamburgo, foi crucial para conduzir o estudo”, afirma Patrick Lömker, investigador da Universidade de Estocolmo. “Podemos agora imaginar o futuro com fontes ainda mais brilhantes quando a máquina for atualizada para PETRA IV.”
Perspectivas Futuras e Impacto Ambiental
“Agora temos as ferramentas para realizar pesquisas que levem a novos materiais catalisadores para a produção de amônia que podem ser melhor utilizados para se combinarem com o hidrogênio produzido por eletrólise para a transição verde da indústria química”, diz Anders Nilsson.
“É inspirador realizar pesquisas sobre um tema tão ligado a uma história de sucesso científico que tem ajudado tremendamente a humanidade. Estou ansioso por continuar a investigação para encontrar novos catalisadores que possam diminuir a nossa dependência de fontes fósseis. Só a indústria química é responsável por 8% das emissões mundiais de CO2”, afirma Bernadette Davies, estudante de doutoramento em Química de Materiais na Universidade de Estocolmo.
“A perspectiva a longo prazo de realizar a produção de amoníaco através de uma alternativa electrocatalítica que seja directamente alimentada pela energia solar ou eólica é muito apelativa, e agora temos ferramentas para ajudar cientificamente neste desenvolvimento”, diz Sergey Koroidov, investigador da Universidade de Estocolmo. .
Referência: “Operando sondagem da química de superfície durante o processo Haber-Bosch” por Christopher M. Goodwin, Patrick Lömker, David Degerman, Bernadette Davies, Mikhail Shipilin, Fernando Garcia-Martinez, Sergey Koroidov, Jette Katja Mathiesen, Raffael Rameshan, Gabriel LS Rodrigues, Christoph Schlueter, Peter Amann e Anders Nilsson, 10 de janeiro de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06844-5
O estudo foi conduzido em colaboração com a Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) em Hamburgo e na Universidade Montan na Áustria. O estudo incluiu ex-funcionários da Universidade, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen e Gabriel Rodrigez.
O estudo foi financiado pela Fundação Knut e Alice Wallenberg e pelo Conselho Sueco de Pesquisa.
