Cientistas da Grã-Bretanha se depararam com um fenômeno misterioso: o catalisador que propuseram para a produção de hidrogênio a partir da amônia se comportou de maneira inexplicável. Normalmente, os catalisadores reduzem sua atividade durante a operação, mas o novo, ao contrário, tornou-se cada vez mais eficiente. Isso obrigou os pesquisadores a estudar a estrutura atômica da substância, que, ao que tudo indica, violava as leis da física.
Fonte da imagem: University of Nottingham
A amônia é considerada um dos transportadores que mais consomem energia. Porém, para usá-lo diretamente, ele deve ser decomposto em hidrogênio (H₂) e nitrogênio (N₂). A reação ocorre de forma mais eficiente na presença de um catalisador, como o rutênio (Ru), que é um elemento de terras raras. Pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Nottingham, em colaboração com a Universidade de Birmingham e a Universidade de Cardiff, desenvolveram um catalisador baseado em uma haste de grafite com inclusões de rutênio do tamanho de nanômetros. Nanoaglomerados de rutênio entraram em contato com amônia e a decompuseram em hidrogênio e nitrogênio. Surpreendentemente, quanto mais tempo o catalisador funcionava, maior se tornava sua atividade – a reação se acelerava.
«Ficamos surpresos ao descobrir que a atividade dos nanoaglomerados de rutênio no carbono na verdade aumenta com o tempo, o que é contrário aos processos de desativação que normalmente ocorrem com catalisadores durante seu uso. Esta descoberta emocionante não pode ser explicada por métodos analíticos tradicionais, por isso desenvolvemos uma abordagem microscópica para contar os átomos em cada nanocluster de catalisador em diferentes estágios da reação usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura. Identificamos uma série de mudanças sutis, mas significativas, no nível atômico”, disse o Dr. Yifan Chen, pesquisador do Departamento de Química.
Os elementos catalisadores foram feitos por pulverização catódica de magnetron, em que o plasma em campos magnéticos pulveriza um alvo (neste caso, rutênio) e deposita o material em um transportador (haste de grafite). Este método garante que a maioria dos átomos do catalisador sejam colocados na superfície do suporte, onde podem interagir com a matéria-prima, em vez de permanecerem profundamente no interior do material.
Um estudo da estrutura atômica do catalisador mostrou que durante a operação, o rutênio se reúne espontaneamente em nanoaglomerados com área de 2–3 nm². Esses nanoaglomerados formam pirâmides truncadas escalonadas. Nesta forma, o catalisador aumenta gradativamente a área superficial ativa, o que explica sua eficiência crescente.
«Esta descoberta estabelece uma nova direção no desenvolvimento de catalisadores, demonstrando um sistema estável e auto-melhorado para a produção de hidrogênio a partir de amônia como fonte de energia limpa. Esperamos que este avanço dê um contributo significativo para o desenvolvimento de tecnologias energéticas sustentáveis, apoiando a transição para um futuro com zero emissões de carbono”, resumiu Andrey Khlobystov, professor da Faculdade de Química.