Os pesquisadores da UIC criam um sistema eletroquímico sustentável no qual uma célula solar é conectada a um poço contendo uma solução líquida. Quando carregados, os nitratos das águas residuais na solução líquida são convertidos em amônia. Crédito: Meenesh Singh / UIC

Engenheiros da Universidade de Illinois em Chicago criaram uma reação eletroquímica movida a energia solar que não só usa águas residuais para fazer amônia – o segundo produto químico mais produzido no mundo – mas também atinge uma eficiência solar para combustível que é 10 vezes melhor do que qualquer outra tecnologia comparável.

Suas descobertas foram publicadas na Energy & Environmental Science, um importante jornal para pesquisas na interseção de fornecimento de energia e proteção ambiental.

“Esta tecnologia e nosso método têm grande potencial para permitir a síntese sob demanda de fertilizantes e podem ter um imenso impacto nos setores agrícola e de energia em países desenvolvidos e em desenvolvimento, e nos esforços para reduzir os gases de efeito estufa dos combustíveis fósseis”, disse o pesquisador-chefe Meenesh Singh, professor de engenharia química na UIC College of Engineering.

A amônia, uma combinação de um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio, é um composto chave de fertilizantes e muitos produtos manufaturados, como plásticos e produtos farmacêuticos. Os métodos atuais para fazer amônia a partir do nitrogênio requerem enormes quantidades de calor, gerado pela queima de combustíveis fósseis, para quebrar as fortes ligações entre os átomos de nitrogênio para que possam se ligar ao hidrogênio. Este processo secular produz uma fração substancial das emissões globais de gases de efeito estufa, que são a força motriz da mudança climática.

Anteriormente, Singh e seus colegas desenvolveram um método ecologicamente correto para produzir amônia filtrando o nitrogênio puro por meio de uma tela de malha coberta com catalisador eletricamente carregada em uma solução à base de água. Essa reação usou apenas uma pequena quantidade de energia de combustível fóssil para eletrificar a tela, que separa os átomos de nitrogênio, mas produziu mais gás hidrogênio (80%) do que a amônia (20%).

Agora, os pesquisadores aprimoraram esse conceito e desenvolveram um novo método que usa nitrato, um dos contaminantes mais comuns das águas subterrâneas, para fornecer nitrogênio e luz solar para eletrificar a reação. O sistema produz quase 100% de amônia com quase zero reações colaterais de gás hidrogênio. A reação não precisa de combustíveis fósseis e não produz dióxido de carbono ou outros gases de efeito estufa, e seu uso de energia solar produz uma eficiência solar para combustível sem precedentes, ou STF, de 11%, que é 10 vezes melhor do que qualquer outro estado de sistema de última geração para produção de amônia (cerca de 1% STF).

O novo método depende de um catalisador de cobalto, que os pesquisadores descrevem junto com o novo processo em seu artigo, “Síntese eletroquímica movida a energia solar de amônia usando nitrato com 11% de eficiência solar para combustível em condições ambientais.”

Para identificar o catalisador, os pesquisadores primeiro aplicaram a teoria computacional para prever qual metal funcionaria melhor. Após identificar o cobalto por meio desses modelos, a equipe fez experiências com o metal, tentando diferentes formas de otimizar sua atividade na reação. Os pesquisadores descobriram que uma superfície áspera de cobalto derivada da oxidação funcionou melhor para criar uma reação seletiva, o que significa que converteu quase todas as moléculas de nitrato em amônia.

“Encontrar um catalisador ativo, seletivo e estável que funcione em um sistema movido a energia solar é uma prova poderosa de que a síntese sustentável de amônia em escala industrial é possível”, disse Singh.

Não apenas a reação em si é neutra em carbono, o que é bom para o meio ambiente, mas se o sistema for desenvolvido para uso industrial, ele também pode ter um efeito restaurador quase negativo sobre o meio ambiente.

“Usar nitrato de águas residuais significa que também temos que remover o contaminante das águas superficiais e subterrâneas. Com o tempo, isso significa que o processo pode ajudar simultaneamente a corrigir resíduos industriais e escoamento de água e reequilibrar o ciclo de nitrogênio, especialmente em áreas rurais que podem enfrentar desvantagens econômicas ou carregam o maior risco de alta exposição ao nitrato em excesso “, disse Singh.

A alta exposição ao nitrato por meio da água potável tem sido associada a problemas de saúde como câncer, doenças da tireoide, parto prematuro e baixo peso ao nascer.

“Estamos todos muito entusiasmados com esta conquista e não vamos parar por aqui. Temos esperança de que em breve teremos um protótipo maior com o qual possamos testar em uma escala muito maior”, disse Singh, que já colabora com empresas municipais, centros de tratamento de águas residuais e outros na indústria no desenvolvimento do sistema.

Uma patente para o novo processo foi registrada pelo UIC Office of Technology Management.

Os co-autores do artigo são Nishithan Kani e Aditya Parajapati da UIC, Joseph Gauthier da Texas Tech University, Jane Edgington e Linsey Seitz da Northwestern University, Isha Bordawekar da Warren Township High School, Windom Shields e Mitchell Shields of Worldwide Liquid Sunshine e Aayush Singh da Dow Inc.

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