Processo desenvolvido em CPE da FAPESP produz amônia com alta eficiência energética

Produção anual de NH3, principal molécula sintetizada no mundo, atinge 1,2 milhão de toneladas; viabilização de uso em células a combustível vai incrementar demanda

Ricardo Muniz | Agência FAPESP – Um novo processo descrito na revista Electrochemistry Communications transforma nitrogênio e hidrogênio em amônia (NH3) à temperatura e pressão ambientes com alta eficiência energética. A amônia é a principal molécula sintetizada no mundo, empregada nos mais diversos ramos da cadeia produtiva. Além disso, também cumpre um papel importante na economia do hidrogênio, por ser facilmente revertida em nitrogênio e hidrogênio. Por ano é produzido aproximadamente 1,2 milhão de toneladas do composto químico.

Em função do interesse crescente em rotas para descarbonização, pesquisadores recentemente voltaram sua atenção para o uso de amônia em células a combustível, que são células eletroquímicas ou galvânicas capazes de gerar energia elétrica através de reações químicas específicas, como a reação de redução do nitrogênio (NRR).

Os grupos que estudam a eletroquímica da NRR perseguem dois objetivos principais: a produção de um insumo importante para a indústria e potencial combustível do futuro e o armazenamento do hidrogênio em uma molécula – a amônia – que pode ser facilmente diluída em água e transportada de forma mais segura e barata que o próprio hidrogênio. Assim, se as iniciativas de pesquisa em células a combustível de amônia forem bem-sucedidas, a demanda global pelo composto vai aumentar ainda mais.

Com a utilização de um reator eletroquímico, o grupo de pesquisa, apoiado pela FAPESP, supera a forma tradicional de produção industrial, conhecida como “processo de Haber-Bosch” – um processo térmico que acaba liberando para o ambiente grandes quantidades de calor.

“Em nosso reator, o processo ocorre pela interação de elétrons e núcleos, o que dissipa muito menos energia”, explica Rodrigo Fernando Brambilla de Souza, coautor do artigo e bolsista do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), um dos Centros de Pesquisa em Engenharia (CPEs) da FAPESP, lançado em maio de 2018 pela agência de fomento paulista em parceria com a Shell Brasil, a Universidade de São Paulo (USP), a Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen).

Já há esforços de grupos de pesquisa para produzir a amônia em condições amenas, mas os processos eletroquímicos convencionais utilizam eletrólitos líquidos, que, apesar de eficientes para a síntese de amônia, exigem uma etapa de purificação do gás do eletrólito. “O nosso processo, por se basear no uso de um eletrólito polimérico, sólido, transporta o hidrogênio oxidado, ou seja, prótons, para que se liguem quimicamente a moléculas de nitrogênio adsorvido no catalisador de cobre, produzindo a amônia que sai na forma de gás e eliminando a necessidade de uma etapa de purificação para remover o eletrólito”, diz Souza. Adsorção é a fixação (adesão) a uma superfície sólida (adsorvente) de moléculas de um fluido (adsorvido).

“Outra vantagem é que o reator opera em fluxo contínuo. O nitrogênio e hidrogênio são entregues aos eletrodos e a amônia produzida sai continuamente”, complementa Souza, doutor em química pela Universidade Federal do ABC (UFABC) e pós-doutorando no Ipen. “O artigo mostra resultados em condições reais de operação em um reator diferente de estudos eletroquímicos fundamentais que nem sempre representam resultados reais”, complementa Almir Oliveira Neto, doutor em físico-química pela USP com pós-doutorado no Ipen. “É importante salientar também que a amônia obtida em nosso estudo é pura, enquanto em outras experiências há impurezas.”

Além de Souza e Oliveira Neto, o estudo é assinado por Victoria Maia, Camila Santos, Nathália Azeredo e Priscilla Zambiazi, do Ipen, e por Ermete Antolini, da Scuola Scienza Materiali (Gênova, Itália).

O artigo Conversion of nitrogen to ammonia using a Cu/C electrocatalyst in a polymeric electrolyte reactor pode ser lido em: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1388248122002235.