O gás hidrogênio, devido à sua alta densidade energética e natureza livre de carbono, está ganhando muita atenção como fonte de energia para um futuro verde e sustentável. Apesar de ser o elemento mais abundante no universo, o hidrogênio é encontrado principalmente em um estado ligado como compostos químicos como amônia, hidretos metálicos e outros compostos hidrogenados.

Entre todos os transportadores de hidrogênio, a amônia se destaca como um candidato promissor devido à sua ampla disponibilidade, alto teor de hidrogênio (17,6% de sua massa) e facilidade de liquefação e transporte.

Uma grande desvantagem que dificulta sua exploração como uma fonte de hidrogênio verde sob demanda para aplicações práticas é a necessidade de temperaturas extremamente altas (>773K) para sua decomposição. A produção de hidrogênio para células de combustível e uso de motor de combustão interna exige altas taxas de conversão de amônia em baixas temperaturas .

Para resolver esse problema, um novo processo compacto que poderia operar em uma temperatura mais baixa foi apresentado pelo Professor Yasushi Sekine da Universidade de Waseda, com sua equipe incluindo Yukino Ofuchi e Sae Doi da Universidade de Waseda, e Kenta Mitarai da Yanmar Holdings. Eles demonstraram uma configuração experimental de uma alta taxa de conversão de amônia em hidrogênio em temperaturas notavelmente mais baixas aplicando um campo elétrico na presença de um catalisador Ru/CeO 2 altamente ativo e facilmente produzível .

Este estudo foi publicado na Chemical Science em 27 de agosto de 2024.

"Este é um projeto colaborativo entre nosso laboratório na Universidade de Waseda e a Yanmar Holdings, que é uma empresa líder na utilização de amônia. Nosso objetivo era desenvolver um processo que nos permitisse explorar a capacidade da amônia de gerar hidrogênio sob demanda", afirma Sekine.

"Então, começamos a investigar sistemas catalíticos térmicos convencionais onde a reação ocorre através da formação de adsorbatos de N e H por meio da dissociação de ligações N–H e da recombinação dos adsorbatos para formar os respectivos gases N 2 e H 2. "

A equipe observou que a etapa determinante da taxa em um metal ativo Ru era a dessorção de nitrogênio em baixas temperaturas e a dissociação de N–H em altas temperaturas. Seu esforço para superar esse problema os levou a reações catalíticas assistidas por campo elétrico. Essa técnica melhorou a condução de prótons na superfície do catalisador e reduziu a energia de ativação necessária para a reação, juntamente com suas temperaturas de reação, para facilitar a conversão eficiente de amônia.

Usando essas informações, a equipe projetou um novo sistema catalítico térmico para decomposição de amônia em hidrogênio em baixa temperatura assistida por catalisador Ru/CeO 2 facilmente produzível e campo elétrico DC. Eles descobriram que sua estratégia proposta decompôs amônia eficientemente mesmo abaixo de 473 K.

Dado um tempo de contato suficientemente longo entre a alimentação de amônia e o catalisador, uma taxa de conversão de 100% foi alcançada a 398 K, superando a taxa de conversão de equilíbrio. Isso foi atribuído à capacidade do campo elétrico de promover protônica de superfície — salto de prótons na superfície do catalisador auxiliado por um campo elétrico CC. Isso reduz as energias de ativação aparentes da reação de conversão de amônia.

Em contraste, eles observaram que a falta de um campo elétrico desacelerou significativamente o processo de dessorção de nitrogênio, fazendo com que a reação de decomposição de amônia parasse após algum tempo. A significância da protônica de superfície na melhoria da taxa de conversão de amônia foi ainda mais apoiada pelos cálculos experimentais e da teoria funcional da densidade realizados pelos pesquisadores.

Esta nova estratégia demonstra que o hidrogênio verde pode ser produzido a partir de amônia em baixas temperaturas com um caminho irreversível, garantindo quase 100% de conversão em altas taxas de reação.

"Acreditamos que nosso método proposto pode acelerar a adoção generalizada de combustíveis alternativos limpos, tornando a síntese sob demanda de hidrogênio livre de CO 2 mais fácil do que nunca", conclui Sekine.

Mais informações: Yukino Ofuchi et al, Produção de hidrogênio por decomposição de NH 3 em baixas temperaturas assistida por protônicos de superfície, Chemical Science (2024). DOI: 10.1039/D4SC04790G

Informações do periódico: Chemical Science