Método eletroquímico transforma amônia em hidrogênio puro

Como um líquido que pode ser facilmente armazenado e transportado, a amônia (NH₃) é uma opção atraente para o hidrogênio, o qual é usado em células a combustível, na fabricação de semicondutores, no processamento químico e de outras formas. No entanto, decompor a amônia em hidrogênio e nitrogênio normalmente requer temperaturas altas, e a mistura gasosa resultante precisa passar por uma purificação adicional antes que o hidrogênio possa ter muitos usos.

Pesquisadores do MIT [Instituto de Tecnologia de Massachusetts] desenvolveram agora uma abordagem eletroquímica para liberar o hidrogênio da amônia enquanto simultaneamente separam e concentram o hidrogênio em uma corrente de alta pureza. A estratégia, que usa eletricidade para acelerar a extração, reduz a temperatura e a energia necessárias para recuperar o hidrogênio da amônia e de outros transportadores de hidrogênio.

Em um estudo recente, os pesquisadores demonstraram que sua abordagem pode gerar correntes puras e altamente concentradas de hidrogênio.

“Demonstramos a capacidade de usar a eletroquímica para impulsionar as reações de desidrogenação termodinamicamente desfavoráveis e cineticamente difíceis”, diz Yogesh Surendranath, professor de química e engenharia química. “Neste caso, estudamos a conversão da amônia e de uma molécula orgânica líquida por conta de sua importância como possíveis transportadores de hidrogênio para uma economia baseada em hidrogênio. Mas os conceitos que aprendemos aqui poderiam, em princípio, ser aplicados posteriormente, e estamos trabalhando ativamente para aplicá-los em outras reações importantes de desidrogenação”.

Surendranath é o autor correspondente do estudo, publicado hoje na Nature. O pós-doutorando do MIT Rui Zeng, agora professor de ciência e engenharia de materiais no Harbin Institute of Technology, em Shenzhen, China, é o primeiro autor do artigo.

Extraindo o hidrogênio

O hidrogênio tem uso amplo na fabricação de semicondutores e no processamento químico e também é um transportador de energia em células a combustível que usam hidrogênio e oxigênio para gerar eletricidade sem combustão. No entanto, ampliar seu uso exigirá maneiras práticas de armazená-lo e distribuí-lo.

O próprio gás hidrogênio é difícil de transportar de forma eficiente sem compressão ou liquefação. Uma alternativa é armazenar quimicamente o hidrogênio em compostos que sejam líquidos ou possam ser facilmente liquefeitos e, então, liberá-lo onde e quando for necessário.

A amônia é um transportador de hidrogênio promissor porque já é produzida e transportada por grandes distâncias, mas recuperar o hidrogênio da amônia continua sendo um desafio. Esse processo, conhecido como “craqueamento”, requer temperaturas superiores a 500 graus Celsius para alcançar taxas altas de reação e conversão. O hidrogênio precisa então ser separado do nitrogênio e da amônia que não reagiu.

“Queríamos perguntar se poderíamos usar entradas elétricas para impulsionar o que, de outra forma, seria uma reação de desidrogenação desfavorável e, simultaneamente, fazer isso de uma maneira que separasse o hidrogênio do transportador de hidrogênio, para que ele ficasse muito puro e pudesse ser usado diretamente em uma célula a combustível ou outro uso que exija uma corrente de hidrogênio de alta pureza”, diz Surendranath.

O elemento central do novo projeto dos pesquisadores é o acoplamento de uma membrana de separação à base de paládio com um eletrodo gerador de hidrogênio por meio de um eletrólito de hidróxido fundido. A membrana de separação transporta seletivamente o hidrogênio, impedindo que outros componentes da mistura de reação atravessem a membrana.

Usando a nova configuração, a amônia é primeiro desidrogenada por um catalisador contendo rutênio e césio. O hidrogênio então chega à membrana de separação, cujo lado oposto está em contato com um eletrólito de hidróxido fundido.

O gradiente eletroquímico através dessa membrana cria efetivamente um “vácuo” para o hidrogênio, fornecendo uma força motriz forte para seu transporte através da membrana. Ele também converte o hidrogênio em prótons e elétrons, que percorrem separadamente o eletrólito fundido e o circuito externo, respectivamente, antes de se recombinarem em um segundo eletrodo para formar o gás hidrogênio.

Como a membrana transporta seletivamente o hidrogênio, o sistema produz uma corrente concentrada de gás hidrogênio sem exigir um processo separado de purificação posterior.

“Usando esse processo eletroquímico, somos capazes de realizar o bombeamento ativo de hidrogênio de uma baixa concentração para uma alta concentração”, diz Surendranath.

A extração contínua de hidrogênio também pode ajudar a impulsionar a reação de desidrogenação, especialmente quando a presença de hidrogênio inibe a reação. Dessa forma, a estratégia faz mais do que separar o produto: ela altera o ambiente da reação e permite a recuperação de hidrogênio em condições mais brandas.

Esse processo, portanto, pode ser realizado em temperaturas em torno de 200 ou 300 graus Celsius, muito inferiores às necessárias para o craqueamento convencional da amônia. Outra vantagem é que ele cria uma corrente pura de hidrogênio que não precisa ser purificada posteriormente — uma etapa que requer energia adicional.

Curtis Berlinguette, professor de química e de engenharia química e biológica na Universidade da Colúmbia Britânica, descreveu o método como “uma maneira nova e poderosa” de resolver o problema de obtenção de uma corrente pura de hidrogênio a partir da amônia e de outros transportadores de hidrogênio.

“Ao usar a eletricidade para puxar o hidrogênio através da membrana à medida que ele é liberado, eles aceleram a desidrogenação da amônia e dos transportadores líquidos orgânicos de hidrogênio, ao mesmo tempo em que produzem uma corrente de hidrogênio purificada. Este é um avanço importante para as ciências da energia porque abre um caminho plausível para transportar o hidrogênio em transportadores químicos estáveis e liberá-lo onde e quando for necessário”, diz Berlinguette, que não participou da pesquisa.

Alimentando o transporte

Neste estudo, os pesquisadores demonstraram que essa abordagem poderia ser usada para desidrogenar não apenas a amônia, mas também o metilciclohexano. Essa molécula faz parte de uma classe conhecida como transportadores líquidos orgânicos de hidrogênio (LOHCs, na sigla em inglês), que também apresentam potencial como transportadores de energia.

Os pesquisadores imaginam que sua nova estratégia possa ser útil nos transportes, bem como para alimentar os carros, ônibus e navios, ou para a fabricação de semicondutores ou eletrônicos. O gás hidrogênio puro é usado em várias etapas da fabricação de semicondutores, nas quais desempenha papéis importantes no aumento dos rendimentos de fabricação e na redução de defeitos superficiais.

Como o paládio é um metal caro, os pesquisadores agora estão trabalhando em maneiras de reduzir a quantidade de paládio necessária para a membrana de separação. Eles também estão trabalhando na ampliação do processo e em seu uso para outras reações de desidrogenação que possam ser úteis industrialmente.

A pesquisa foi financiada pela National Science Foundation dos EUA.

O artigo original em inglês foi traduzido e republicado aqui com a permissão do MIT News.

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