Pesquisadores fizeram um avanço significativo no desenvolvimento de catalisadores para a reação de redução eletroquímica de nitrato (eNO 3 RR) para amônia, um processo que tem amplas implicações para energia sustentável, agricultura e aplicações industriais. O estudo foi publicado no periódico ACS Nano.

A amônia, um componente crítico na produção global de alimentos, também é promissora como um combustível de carbono zero devido à sua alta densidade energética, produtos de combustão limpos e infraestrutura estabelecida para armazenamento e transporte. No entanto, o método atual de produção de amônia , o processo Haber-Bosch, é intensivo em energia e é responsável por cerca de 1,8% das emissões globais de CO 2.

Em seu estudo recente, a equipe de pesquisa se concentrou em óxidos de cobalto espinela (Co 3 O 4 ), uma classe promissora de catalisadores para eNO 3 RR devido ao seu baixo custo, alta atividade e seletividade.

A equipe sintetizou várias nanoestruturas de Co 3 O 4 com diferentes facetas cristalográficas — {100}, {111}, {110} e {112} — para investigar como essas facetas influenciam o desempenho do catalisador na produção de amônia. O estudo revelou que a faceta {111} de Co 3 O 4 exibiu desempenho superior, alcançando uma impressionante eficiência Faradaica de amônia de 99,1% e uma taxa de rendimento de 35,2 mg h -1 cm -2 .

"Nossas descobertas mostram que a faceta {111} do Co 3 O 4 é eficaz na transformação de nitrato em amônia", disse o Dr. Heng Liu, coautor do artigo e professor assistente especialmente nomeado no Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais (WPI-AIMR), na Universidade de Tohoku.

"Isso se deve à rápida formação de vacâncias de oxigênio e Co(OH) nessa faceta, o que melhora significativamente o desempenho do catalisador."

Além disso, os pesquisadores descobriram que o catalisador passou por um processo de transformação durante a reação, evoluindo de Co 3 O 4 para uma estrutura com vacâncias de oxigênio, depois para um híbrido Co 3 O 4x -Ov/Co(OH) 2 e, finalmente, estabilizando-se como Co(OH) 2 . Esse processo foi mais pronunciado na faceta {111}, contribuindo para seu desempenho superior.

"As mudanças estruturais que observamos são cruciais para entender a atividade do catalisador", acrescentou o Professor Hao Li, autor correspondente do artigo e professor associado do WPI-AIMR. "Esses insights nos ajudarão a projetar catalisadores mais eficientes ao otimizar as facetas expostas."

A importância da amônia se estende além da agricultura, pois é um potencial combustível de carbono zero e um ator-chave em tecnologias de conversão e armazenamento de energia. O eNO 3 RR oferece uma alternativa sustentável ao processo Haber-Bosch, transformando resíduos de nitrato em amônia valiosa, ao mesmo tempo em que auxilia na recuperação ambiental.

"Esta pesquisa estabelece uma base sólida para o desenvolvimento de catalisadores mais eficientes e sustentáveis", afirma Li. "À medida que avançamos, nossa meta é controlar as fases finais da transformação do catalisador para aumentar ainda mais sua atividade, seletividade e estabilidade."

Esse avanço na compreensão e otimização de catalisadores de Co 3 O 4 pode abrir caminho para processos industriais mais limpos e sustentáveis, contribuindo para os esforços globais para alcançar a neutralidade de carbono até a década de 2050.