Síntese eletrocatalítica de amônia via redução de nitrato: o papel do cobre e seus óxidos como catalisadores eficientes

Resumo

A síntese eletrocatalítica de amônia a partir da redução de íons nitrato surgiu como uma tecnologia promissora para substituir o processo Haber-Bosch que demanda muita energia. A amônia pode ser sintetizada eletroquimicamente com eficiências e valores de taxa de formação interessantes e, quando acoplada a uma matriz energética sustentável, pode ser obtido um selo "verde". Entre vários metais, o Cu mostrou a etapa determinante da reação mais rápida na conversão de nitrato a nitrito, a mais alta taxa cinética de redução eletrocatalítica e fraca capacidade de evolução de hidrogênio em baixos sobrepotenciais. Ao combiná-lo com óxidos de Cu, observa-se uma excelente atividade e seletividade para a formação de amônia. Cálculos atomísticos relataram a estabilização do intermediário NOHad como o principal responsável pelo excelente desempenho na produção de amônia, passando por sucessivas etapas de redução até hidroxilamina e depois para amônia. Propomos neste projeto a eletrossíntese de amônia a partir da redução de íons nitrato em óxidos à base de Cu como eletrocatalisadores com diferentes composições de superfície e interior do material. A ideia se baseia na melhor compreensão do por quê o cobre e seus óxidos parecem catalisar a reação de forma eficaz. Para tanto, pretende-se aplicar técnicas in situ (FTIR e Raman) e on line (DEMS e GC) acopladas à célula eletroquímica a fim de monitorar os aspectos moleculares da reação e em combinação com a caracterização física do catalisador (TEM, XPS, XRD, AFM, etc), traçar uma estreita correlação entre as propriedades do material com a eletrocatálise da reação de redução de nitrato. A combinação sinérgica da experiência de ambos os proponentes deste projeto facilitará uma investigação mecanística mais profunda das reações de conversão de energia, visando o desenvolvimento de catalisadores mais eficientes e seletivos. Como resultado adicional, será fortalecida uma cooperação conjunta de longo prazo. (AU)