A procura de energia é uma constante, tal como a necessidade de ter consciência ambiental. É por isso que os professores de engenharia química Joseph Kwon e Mark Barteau desenvolveram uma estratégia para prever o desempenho de novos catalisadores para uma produção de amoníaco mais ecológica.
“Ao tornar os processos industriais, como a produção de amoníaco, mais sustentáveis, esta investigação contribui para esforços mais amplos de combate às alterações climáticas, promovendo um planeta mais saudável para as gerações futuras”, afirmou Kwon.
Alterar a forma como o amoníaco é produzido tem benefícios ambientais e económicos e aumenta a segurança alimentar. Isto pode ser conseguido através da redução das necessidades energéticas e das emissões de carbono associadas à produção tradicional de amoníaco.
Estima-se que 1% a 2% do consumo global de energia e uma fração semelhante das emissões de gases com efeito de estufa (GEE) estão associados à produção de amoníaco para fertilizantes.
O amoníaco é produzido pelo processo Haber-Bosch, uma tecnologia centenária que utiliza o azoto atmosférico e o hidrogénio para produzir amoníaco. O hidrogénio é normalmente produzido a partir do metano através de um processo que gera uma grande pegada de gases com efeito de estufa.
De acordo com Kwon e Barteau, a sua investigação centra-se numa alternativa mais ecológica ao processo Haber-Bosch. Estão a desenvolver eletrocatalisadores para a reação eletroquímica de redução do azoto, denominada NRR, utilizando os átomos de hidrogénio da água.
“O objetivo é compreender e melhorar a interação do azoto e do hidrogénio na superfície do catalisador para produzir amoníaco de forma eficiente a temperaturas e pressões mais baixas”, afirmou Kwon. “Para que estes catalisadores funcionem como esperamos, analisamos computacionalmente vários materiais e as suas propriedades para prever qual terá o melhor desempenho em condições NRR”.
A equipa de Kwon e Barteau combinou os métodos computacionais da teoria do funcional da densidade (DFT) e as simulações cinéticas de Monte Carlo (kMC) para prever a eficiência e a estabilidade dos catalisadores em condições de reação eletroquímica.
A teoria do funcional da densidade é um método de modelização que utiliza a física, a química e a ciência dos materiais para investigar a estrutura eletrónica de átomos e moléculas. Este método permite a Kwon prever a forma como diferentes materiais irão interagir com moléculas de azoto e hidrogénio.
“Ferramentas de computador como a DFT e a kMC revolucionaram a conceção de catalisadores no século XXI”, afirmou Barteau, um dos primeiros profissionais a aplicar a DFT a catalisadores heterogéneos. “O que é particularmente poderoso na combinação destas ferramentas é a capacidade de prever o desempenho dinâmico dos materiais ativos em diferentes condições e ao longo do tempo.”
As simulações cinéticas de Monte Carlo utilizam estimativas de probabilidade para prever os resultados possíveis de um acontecimento incerto. Isto ajudará os investigadores a compreender como as reações evoluem a diferentes temperaturas e pressões, fornecendo informações sobre a escalabilidade e o tempo de vida de potenciais catalisadores.
O estudo foi publicado na revista Applied Catalysis B: Environment and Energy.
