Eletrocatálise para produção de amônia a partir de nitrogênio: desvendando o mecanismo da reação de redução sobre nanocatalisadores de Rh e Ru

• Processo: 24/05966-5
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2025
• Data de Término da vigência: 30 de novembro de 2027
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
• Pesquisador responsável: Joelma Perez
• Beneficiário: Rodrigo Gomes de Araujo
• Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 19/22183-6 - Electrocatálise VI: aspectos fundamentais e aplicados em problemas emergentes e clássicos em conversão eletroquímica de energia, AP.TEM
• Assunto(s): Eletrocatálise Mecanismo de reação Eletroquímica
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Amônia verde | Eletrocatálise | Eletroredução do Nitrogênio | mecanismo de reação | Eletroquímica

Resumo

Convencionalmente, o processo Haber-Bosch para a produção de amônia utiliza hidrogênio derivado da reforma a vapor do metano, consequentemente resulta na emissão de gases de efeito estufa na atmosfera. Como alternativa ao processo Haber-Bosch, a reação de redução de nitrogênio (RRN) para a amônia em condições de temperatura e pressão ambiente tem ganhado destaque, por diminuir drasticamente as emissões de CO2. Todavia, a cinética dessa reação é limitada pela alta estabilidade da molécula de N2 e enfrenta desafios relacionados à escassez de catalisadores ativos e eficientes, especialmente devido à competição com a reação de desprendimento de hidrogênio. A maioria dos estudos experimentais sobre a RRN foca na quantificação da produção da amônia, propostas mecanísticas e possíveis intermediários de reação são apresentados em trabalhos teóricos que envolvem cálculos de teoria do funcional da densidade (DFT). Para esse fim, neste projeto, nanopartículas de Rh e Ru serão estudadas utilizando diversas técnicas para compreender a RRN. Esses materiais serão suportados em carbono de alta área superficial, grafenos e MoS2. Além disso, uma abordagem adicional envolverá a modificação desses materiais com Fe e Cu. Os catalisadores mais promissores serão avaliados como cátodos em eletrolisadores. Os nanocatalisadores preparados serão caracterizados por técnicas físicas, tais como: microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia de raios X por energia dispersiva, difração de raios X, espectroscopia fotoeletrônica de raios X e espectroscopia de absorção de raios X. As respostas eletroquímicas da RRN, serão acompanhadas por voltametrias cíclicas e lineares, cronoamperometria e espectroscopia de impedância eletroquímica. Diversas técnicas serão empregadas para analisar os produtos gasosos, em solução e intermediários adsorvidos, a fim de propor um mecanismo para a RRN. Entre essas técnicas estão espectroscopia de massas, para análise dos produtos gasosos, espectroscopia de UV-Vis e cromatografia de íons para análise dos produtos em solução, e espectroscopia Raman e espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier para análise dos produtos adsorvidos. A investigação experimental aprofundada sobre estas superfícies permitirá a elucidação do mecanismo para que a produção de amônia em grande escala ocorra de forma sustentável por meio da RRN.