Utilizar um relâmpago para produzir amoníaco a partir do ar

Os investigadores da Universidade de Sydney aproveitaram os relâmpagos criados pelo homem para desenvolver um método mais eficiente de produção de amoníaco – um dos produtos químicos mais importantes do mundo. O amoníaco é também o principal ingrediente dos fertilizantes que representam quase metade de toda a produção alimentar mundial.

A equipa desenvolveu com êxito um método mais simples para produzir amoníaco (NH3) sob a forma de gás. Os esforços anteriores de outros laboratórios produziram amoníaco em solução (amónio, NH4+), o que requer mais energia e processos para o transformar no produto final gasoso.

O método atual de produção de amoníaco, o processo Haber-Bosch, tem um custo climático elevado, deixando uma enorme pegada de carbono. Além disso, para ser rentável, o processo tem de ser realizado em grande escala e perto de fontes de gás natural barato.

O processo químico que alimentou o mundo e a equipa de Sydney que procura revolucioná-lo

O amoníaco natural (principalmente sob a forma de excrementos de aves) foi outrora tão procurado que alimentou guerras.

A invenção do processo Haber-Bosch no século XIX tornou possível a produção de amoníaco pelo homem e revolucionou a agricultura e a indústria modernas. Atualmente, 90% da produção mundial de amoníaco depende do processo Haber-Bosch.

“O apetite da indústria pelo amoníaco não para de crescer. Na última década, a comunidade científica mundial, incluindo o nosso laboratório, tem procurado descobrir uma forma mais sustentável de produzir amoníaco que não dependa de combustíveis fósseis”.

“Atualmente, a produção de amoníaco exige uma produção centralizada e o transporte do produto a longa distância. Precisamos de um ‘amoníaco verde’ de baixo custo, descentralizado e escalável”, acrescenta o investigador principal, Professor PJ Cullen, da Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade de Sydney e do Instituto Net Zero. A sua equipa trabalha na produção de “amoníaco verde” há seis anos.

“Nesta investigação, desenvolvemos com êxito um método que permite converter o ar em amoníaco na sua forma gasosa utilizando eletricidade. É um grande passo em direção aos nossos objetivos”, revela.

A investigação foi publicada na edição internacional da revista AngewandteChemie.

O amoníaco contém três moléculas de hidrogénio, o que significa que pode ser utilizado como um portador eficaz e uma fonte de hidrogénio como fonte de energia, e mesmo potencialmente como um meio eficaz de armazenamento e transporte de hidrogénio. Os organismos industriais descobriram que podem aceder ao hidrogénio através do “cracking” do amoníaco para separar as moléculas e utilizar o hidrogénio.

O amoníaco é também um forte candidato à utilização como combustível isento de carbono devido à sua composição química. Este facto despertou o interesse da indústria naval, que é responsável por cerca de 3% de todas as emissões globais de gases com efeito de estufa.

Resolver um enigma químico

O novo método da equipa do Professor Cullen para gerar amoníaco funciona através do aproveitamento do poder do plasma, eletrificando ou excitando o ar.

Mas a estrela é um eletrolisador à base de membranas, uma caixa prateada aparentemente indefinida, onde ocorre a conversão em amoníaco gasoso.

Durante o processo Haber-Bosch, o amoníaco (NH3) é produzido pela combinação dos gases azoto (N2) e hidrogénio (H2) a altas temperaturas e pressão, na presença de um catalisador (uma substância que acelera uma reação química).

O método baseado no plasma que a equipa do Professor Cullen desenvolveu utiliza a eletricidade para excitar as moléculas de azoto e de oxigénio no ar. A equipa passa então estas moléculas excitadas para o eletrolisador à base de membranas para converter as moléculas excitadas em amoníaco.

Segundo os investigadores, esta é uma via mais simples para a produção de amoníaco.

O Professor Cullen afirma que os resultados assinalam uma nova fase na viabilização do amoníaco verde. A equipa está agora a trabalhar para tornar o método mais eficiente em termos energéticos e competitivo em comparação com o processo Haber-Bosch.

“Esta nova abordagem é um processo em duas fases, nomeadamente a combinação de plasma e eletrólise. Já tornámos a componente de plasma viável em termos de eficiência energética e de escalabilidade”, sublinha.

“Para criar uma solução mais completa para uma produção sustentável de amoníaco, temos de aumentar a eficiência energética do componente eletrolisador”, conclui.