Uma equipe científica multidisciplinar avaliou o desempenho a longo prazo de um material usado na produção sustentável de amônia. Os resultados do trabalho fornecem orientações para projetar materiais mais estáveis e eficientes.

A amônia (NH3) é um dos compostos químicos mais produzidos do mundo. Além de ser amplamente usada na indústria dos fertilizantes, ela é utilizada como fluído refrigerante e na fabricação de diversos produtos, desde explosivos até medicamentos. Além disso, essa substância é vista como uma grande promessa de vetor energético para uma economia mais sustentável, pois carrega hidrogênio e é muito mais fácil de transportar do que ele.

Entretanto, o método convencional de produção de amônia, o processo Haber-Bosch, é atualmente responsável por cerca de 2% das emissões globais de gases de efeito estufa e 1 a 2% do gasto mundial de energia, devido às condições de alta temperatura e pressão nas quais ele é realizado.

Frente a essa situação, muitos grupos de pesquisa estão investigando métodos mais sustentáveis de produção de amônia, como a reação de redução de nitrato, que é realizada em temperatura e pressão ambientes e pode usar facilmente eletricidade de fontes renováveis. O processo consiste em uma série de reações eletroquímicas, nas quais o íon nitrato (NO3-) recebe elétrons e prótons enquanto perde oxigênio. No final da reação, o nitrato, que é um composto considerado poluente em ambientes aquáticos pela Organização Mundial da Saúde, é transformado em uma matéria-prima de ampla utilização, a amônia.

No entanto, para que o processo seja viável, é necessário contar com eletrocatalisadores eficientes e estáveis. Eletrocatalisadores são materiais que facilitam reações eletroquímicas que acontecem em um eletrodo, fazendo com que elas ocorram mais rapidamente e com menor gasto de energia. O eletrocatalisador não é consumido nas reações, mas pode ter sua estrutura alterada, impactando a sua performance.

Por isso, neste novo trabalho, os autores se propuseram a analisar o desempenho, ao longo do tempo, de um material que pode ser usado como eletrocatalisador na reação de redução de nitrato a amônia: as nanoplacas de óxido de cobalto (Co3O4). Com esse nanomaterial, os pesquisadores produziram uma tinta e a aplicaram sobre um substrato de carbono vítreo, compondo, dessa forma, o eletrodo que seria estudado.

“Nesta pesquisa, avaliamos, em nível fundamental, como ciclagens voltamétricas prolongadas impactam a performance da redução de nitrato a amônia”, detalha Matheus Pereira Sales, primeiro autor do artigo científico que reporta este trabalho e membro do programa de Hidrogênio de Baixo Carbono do CINE. Matheus é doutorando na UNICAMP e vem estudando aspectos da redução de nitrato a amônia desde o mestrado, também realizado na UNICAMP, sempre sob orientação do professor Raphael Nagao.

Na ciclagem voltamétrica, o material é submetido a uma tensão elétrica crescente até chegar a um pico. Depois disso, a tensão é diminuída até o nível inicial. Durante o processo, o comportamento eletroquímico do material é registrado.

Neste caso, os pesquisadores submeteram o eletrocatalisador a mil ciclos voltamétricos no intuito de envelhecê-lo aceleradamente. O material novo (original) e o material envelhecido foram então caracterizados usando diversas técnicas experimentais para avaliar a sua morfologia e estrutura, e os resultados foram comparados.

Além disso, simulações computacionais em nível atômico foram utilizadas para completar o entendimento do comportamento do material.  “Mais do que apenas confirmar os dados práticos, a teoria nos permitiu investigar a fundo as mudanças, revelando exatamente quais características eletrônicas são responsáveis por essa performance”, diz Marionir Castelo Branco, pesquisador de pós-doutorado no IQSC-USP e membro do programa de Design Computacional de Materiais do CINE.

O estudo mostrou que o envelhecimento do material torna o eletrocatalisador mais produtivo porém menos seletivo, o que significa que ele produz maior quantidade de outros compostos, além da amônia.

De acordo com os autores, a colaboração entre cientistas experimentais e teóricos e de diferentes áreas do conhecimento foi essencial para o sucesso do trabalho – interação que o CINE incentiva sistematicamente por meio de eventos e outras ações. “Para poder investigar a redução eletroquímica de nitrato para amônia, é necessário analisar o sistema através de diferentes técnicas e confrontar esses resultados entre si”, explica Matheus.

O trabalho contou com financiamento da FAPESP, Shell, CNPq e CAPES, além do suporte estratégico da ANP.

Referência do artigo científico: Electrochemical Nitrate and Nitrite Reduction Reaction to Ammonia: Catalytic Aging and Stability of Co3O4 Hexagonal Nanoplates. Matheus P. Sales; Maykon L. Souza; Marionir C. Branco; Samuel C. Silva; João P. B. Da Silva; Rafael G. Yoshimura; Rafael L. Romano; João J. Mauricio; Manuel E. G. Winkler; Kauan L. Gomes; João B. Souza, Jr.; Santiago J. A. Figueroa; Fabio H. B. Lima; Cláudio F. Tormena; Juarez L. F. Da Silva; Italo O. Mazali; Raphael Nagao. ACS Appl. Mater. Interfaces (2026) 18 (21): 29982–29997. https://doi.org/10.1021/acsami.6c03616

Membros e ex-membros do CINE que participaram do trabalho: Matheus P. Sales, Maykon L. Souza, Marionir C. Branco, Samuel C. Silva, Rafael G. Yoshimura, João J. Mauricio, Kauan L. Gomes, Juarez L. F. Da Silva e Raphael Nagao.