Uma rota mais limpa para amônia

James Mitchell Crow é um escritor freelance, baseado em Melbourne, Austrália.

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Douglas Macfarlane, diretor científico da Jupiter Ionics, espera produzir fertilizante verde. Crédito: Steve Morton/Jupiter Ionics

A Jupiter Ionics em Melbourne, Austrália, surgiu da Monash University, Melbourne, em 2021.

É uma curiosa peculiaridade da química que, quando os átomos de lítio trabalham juntos, eles podem quebrar uma das ligações químicas mais fortes conhecidas. O lítio pode pegar a molécula de nitrogênio de ligação tripla (N2) e, sob condições ambientais, quebrá-la em duas.

A Jupiter Ionics em Melbourne, Austrália - finalista do The Spinoff Prize 2023 - visa aproveitar essa química para produzir amônia (NH3).

A amônia é crucial para a produção de fertilizantes sintéticos, dos quais o mundo depende para o cultivo. Desde o início dos anos 1900, a amônia é produzida pelo processo industrial Haber-Bosch. A produção global de amônia agora atinge 150 milhões de toneladas por ano.

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"Haber-Bosch é uma peça muito central da química no mundo de hoje, mas depende de combustíveis fósseis", diz Douglas Macfarlane, pesquisador de eletroquímica da Monash University em Melbourne, fundador e diretor científico da Jupiter Ionics. O processo opera em alta pressão e temperatura, e em plantas grandes, centralizadas e em operação contínua que são difíceis de combinar com a natureza intermitente comparativamente em pequena escala da energia renovável, explica Macfarlane. A Haber-Bosch é responsável por cerca de 1,5% das emissões globais de carbono e sua contribuição continua a crescer.

O laboratório Monash de Macfarlane foi pioneiro em uma via eletroquímica mediada por lítio de alta seletividade para a amônia. O processo utiliza ar, água e eletricidade renovável. Em 2021, Macfarlane fundou a Jupiter Ionics para ampliar e comercializar o processo. Produzir fertilizante verde é o objetivo inicial, mas gerar amônia como combustível livre de carbono também é uma perspectiva. A tecnologia da Júpiter está se aproximando da meta do Departamento de Energia dos Estados Unidos de atingir a produção de amônia livre de carbono a uma taxa comercialmente competitiva com a Haber-Bosch.

A ideia de separar as moléculas de nitrogênio para produzir amônia usando uma corrente elétrica, em vez de altas temperaturas e pressões, remonta a um século1. Os eletrodos em uma célula eletroquímica podem dividir N2 em um processo mediado por catalisador e, em seguida, combinar os átomos com prótons (H+) provenientes da água para formar amônia.

Pelo menos essa é a teoria, diz o executivo-chefe da Jupiter Ionics, Charles Day. "As pessoas produziram pequenas quantidades de amônia, mas para ser comercialmente relevante, você precisa ser capaz de produzi-la em uma taxa significativa", diz Day, um engenheiro químico que se tornou executivo de comercialização de tecnologia. Day foi inicialmente contratado pela Monash para escrever o plano de negócios da empresa, antes de se tornar o primeiro executivo-chefe.

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O desafio está em suprimir uma reação secundária na qual a célula segue o caminho mais simples de combinar pares de prótons para produzir gás hidrogênio (H2), em vez de amônia. O hidrogênio é geralmente o produto predominante no processo eletroquímico. O problema, conhecido como desafio da seletividade, é descrito por uma métrica chamada eficiência faradaica (FE): a quantidade de amônia produzida em relação à amônia que poderia ser gerada com base na entrada elétrica. Até alguns anos atrás, a seletividade de amônia de apenas 5-20% FE havia sido relatada.

Em 2019, depois de avaliar vários sistemas eletrocatalisadores candidatos e produzir pouca ou nenhuma amônia, a equipe Monash de Macfarlane experimentou o lítio. "Tornou-se bastante conhecido no mundo das baterias de lítio que o lítio reage com o nitrogênio", lembra Macfarlane. "Esse é o passo tentador, que você pode abrir a molécula de nitrogênio com lítio."