Pesquisadores de Stanford descobrem nova forma de produzir amônia que não emite CO2

Em um projeto do Zarelab de Stanford, os cientistas Richard Zare, Xiaowei Song e Chanbasha Basheer descobriram um novo processo químico ecológico que, segundo eles, poderia transformar a forma como criamos amônia, a base do fertilizante mais comum do mundo. Em 2022, a produção global de amônia foi de cerca de 150 milhões de toneladas métricas.

Amônia (NH3), um composto inorgânico de nitrogênio e hidrogênio, serve como bloco de construção para criar fertilizantes químicos para culturas agrícolas. Cerca de 70% da amônia é usada para fertilizantes para ajudar no crescimento das plantas, enquanto os outros 30% são usados ​​principalmente para plásticos, explosivos e fibras sintéticas.

Por mais de 100 anos, a amônia foi criada com o processo Haber-Bosch, que converte nitrogênio em amônia para fertilizantes. O processo usa cerca de 2% da energia mundial e contribui para 1,3% das emissões globais de dióxido de carbono a cada ano, de acordo com Richard Zare, chefe do Zarelab e professor Marguerite Blake Wilbur em Ciências Naturais em Stanford.

"É bem reconhecido que o processo Haber-Bosch é um dos processos industriais mais importantes da química. Afinal, é o que as pessoas usam para alimentar o mundo", disse Zare. "No final do século XIX, as pessoas pensavam que todos morreríamos de fome porque a população estava crescendo mais rápido do que podíamos produzir plantas para comer. O que nos salvou foi um desenvolvimento incrível de Fritz Haber, que aprendeu como pegar nitrogênio e transformá-lo em em amônia."

Segundo Zare, esse processo é intensivo em energia porque a molécula de nitrogênio é bastante inerte, o que significa que não reage facilmente com o hidrogênio para formar a amônia desejada. Os átomos de hidrogênio precisam vir de uma fonte, e o processo Haber-Bosch utiliza vapor (H2O) para converter o gás natural (metano, CH4) em H2 e CO, obtendo os átomos de hidrogênio. Com mais vapor adicionado, o CO é convertido em dióxido de carbono (CO2) e mais átomos de hidrogênio são gerados.

Este processo é, portanto, um grande emissor de gases de efeito estufa. Zare disse que estima-se que 7% das emissões industriais globais de CO2 venham da produção de amônia.

No novo processo de Zare, Song e Basheer para criar amônia, a fonte de hidrogênio não é metano, mas sim água e, como tal, nenhum dióxido de carbono é emitido. Seu processo também não envolve tensão aplicada, nenhuma irradiação por uma fonte de luz e é conduzido em temperatura ambiente e pressão atmosférica.

A descoberta se baseia em pesquisas recentes do Zarelab que examinam a alta reatividade das microgotículas de água. A água em massa tende a ser benigna e inerte, mas as gotas de água são altamente reativas. De acordo com Song, essas microgotículas podem ser consideradas como névoa de um umidificador. "Estas são pequenas propriedades", disse ele.

Zare disse que o laboratório descobriu que microgotículas de água produzem uma forte reação química ao atingir superfícies duras. Para produzir amônia, a equipe de cientistas quebra as ligações de nitrogênio movendo microgotículas de água, gás nitrogênio e óxido de ferro por meio de um pulverizador movido a gás. O processo depende da capacidade das microgotículas de água de reagir em superfícies duras.

O óxido de ferro serve como catalisador para a reação - acelerando a reação sem ser alterado pela reação. Os pesquisadores colocam o catalisador em uma malha de grafite para o pulverizador. O pulverizador então libera microgotículas, onde a água bombeada e o nitrogênio reagem com a ajuda do catalisador para formar amônia (NH3).

Quando a equipe descobriu que poderia criar amônia sem CO2, eles ficaram entusiasmados, de acordo com Song, mas cautelosos.

"Tivemos que ser torturantes sobre se era o resultado esperado e precisávamos ter muitos controles", disse Song.

“Para que isso seja um grande negócio, ele precisa ser ampliado e demonstrado que todas as etapas envolvidas fazem sentido econômico”, disse Zare. "Ainda não resolvemos o problema - ainda estamos falando de pequenas gotículas."

Zare disse que o próximo passo para dimensionar este projeto é colaborar com os engenheiros. Ele disse que o cronograma para ter amônia em escala deve levar menos de cinco anos, mas levará pelo menos um ano. Ele acrescentou que o processo Haber-Bosch levou cinco anos para ser concluído.