A crescente busca por soluções energéticas mais limpas e sustentáveis tem levado ao desenvolvimento de diversas tecnologias inovadoras. Uma dessas soluções é a amônia verde, um composto que, embora tradicionalmente associado a fertilizantes, está ganhando destaque como um portador de hidrogênio e uma alternativa ecológica para diversos setores da indústria. Este processo de produção de amônia, que envolve a utilização de fontes de energia renováveis e processos químicos avançados, promete desempenhar um papel crucial na transição para uma economia de baixo carbono.

Recentemente, a empresa Jupiter Ionics, com um investimento de 2,5 milhões de dólares, tem expandido a produção comercial de amônia verde. Seu método inovador utiliza metal de lítio para reduzir o nitrogênio no ar, formando nitreto de lítio, que é então reduzido com hidrogênio produzido por meio da eletrólise da água. Esse processo, que se caracteriza como uma produção "verde", não apenas minimiza a emissão de poluentes, mas também representa uma alternativa viável à produção de amônia convencional, que depende de fontes fósseis e é altamente poluente.

Em 2021, a Universidade Northwestern, juntamente com a SAFCell, uma startup da Califórnia, desenvolveu um método eficiente e ambientalmente amigável para converter amônia em hidrogênio. A equipe de pesquisa liderada pela Professora Sossina Haile utilizou uma célula eletroquímica única, com uma membrana de troca de prótons integrada a um catalisador de decomposição de amônia. Esse método permite que a amônia seja decomposta em nitrogênio e hidrogênio, e o hidrogênio gerado é imediatamente convertido em prótons, que atravessam a membrana condutora de prótons, alimentando células a combustível de hidrogênio de forma eficiente. Esse avanço abre portas para a utilização de amônia como uma forma de armazenar e transportar hidrogênio de maneira mais segura e prática, sem as complexidades associadas aos sistemas de armazenamento de hidrogênio convencional.

Além disso, a pesquisa sobre catalisadores para a decomposição da amônia tem avançado consideravelmente. Em 2021, a equipe liderada por Jiang Lilong, na Universidade de Fuzhou, conseguiu industrializar novos catalisadores de decomposição de amônia a baixas temperaturas. Isso não só aumentou a eficiência do processo, mas também ajudou a desenvolver métodos para o armazenamento de hidrogênio utilizando amônia como transportador de hidrogênio. Essa inovação tem o potencial de acelerar o desenvolvimento da indústria de energia verde baseada na amônia e garantir uma alternativa mais econômica e escalável para o armazenamento e transporte de energia limpa.

Em um nível mais global, a GenCell Energy, uma empresa israelense, anunciou em 2022 que poderia produzir amônia verde diretamente da eletrólise da água a pressões e temperaturas extremamente baixas, usando uma tecnologia de células a combustível alimentadas por amônia. Com isso, a empresa demonstrou como a amônia pode ser usada para gerar eletricidade de forma limpa e eficiente, substituindo fontes de energia tradicionais, como o diesel. Um tanque de 12 toneladas de amônia líquida pode fornecer combustível suficiente para uma célula a combustível operar continuamente, 24 horas por dia, 7 dias por semana, durante um ano inteiro. Esse tipo de tecnologia pode ajudar na transição para uma matriz energética mais limpa, especialmente em regiões e setores onde o acesso a energias renováveis é limitado.

A utilização direta da amônia como combustível também é um campo de grande potencial. Em 2020, um consórcio internacional que inclui a Malaysia International Shipping Corporation, Samsung Heavy Industries e a Lloyd’s Register Group, entre outros, iniciou o desenvolvimento de um projeto de tanque de combustível de amônia para embarcações. Além disso, a Wärtsilä, uma fabricante finlandesa de motores para embarcações, junto com empresas de energia como a Equinor, da Noruega, está trabalhando no desenvolvimento de navios movidos por células a combustível de amônia, com previsão de lançamento para 2024. Esse tipo de inovação não só reduziria as emissões de gases de efeito estufa no setor marítimo, mas também pode representar um passo importante para a descarbonização do transporte marítimo global.

No Japão, o projeto de co-combustão de amônia-hidrogênio realizado pela gigante energética JERA, em 2021, marca um avanço significativo na utilização de amônia como combustível em usinas térmicas. O projeto visa substituir gradualmente os combustíveis fósseis por amônia, com o objetivo de atingir 100% de combustão de amônia até 2050. Isso não só ajudará a reduzir as emissões de CO2, mas também poderá fornecer uma solução viável para a geração de energia em larga escala.

O mercado global de amônia verde está projetado para crescer significativamente nos próximos anos. Estima-se que o mercado, avaliado em 16 milhões de dólares em 2021, alcance 540 milhões de dólares até 2030, com uma taxa de crescimento anual composta de cerca de 90%. Esse crescimento será impulsionado pelo aumento das tecnologias de produção de amônia verde, como a eletrólise alcalina, a eletrólise de óxido sólido e as membranas de troca de prótons, além de soluções inteligentes que ajudarão a alcançar as metas de descarbonização globais. Empresas como BP, OCI N.V., ITM Power e Haldor Topsoe estão liderando esse movimento global, juntamente com empresas chinesas como a Golden Concord Limited e o Grupo de Investimentos em Energia de Ningxia.

Em países como a China, onde o setor energético e o setor químico são responsáveis por uma parte significativa das emissões de carbono, a amônia verde pode ser uma peça-chave na transição para fontes de energia mais limpas. Se a amônia puder substituir os combustíveis fósseis tradicionais, ela pode desempenhar um papel fundamental no cumprimento das metas de neutralidade de carbono da China, ajudando a reduzir a dependência de carvão e petróleo no setor energético e industrial.

A amônia verde está, sem dúvida, se posicionando como um componente essencial na busca por soluções energéticas sustentáveis. À medida que as tecnologias de produção e conversão de amônia se aprimoram, é de se esperar que, nas próximas décadas, ela desempenhe um papel fundamental na descarbonização dos setores de energia, transporte, e até mesmo da agricultura, contribuindo de maneira significativa para a mitigação das mudanças climáticas.

Quais são os métodos mais eficazes para melhorar o desempenho dos materiais de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio?

A estrutura cristalina do MgH2 é notavelmente estável, com cada átomo de magnésio coordenando-se com seis átomos de hidrogênio para formar um octaedro deformado. Esse arranjo único confere ao MgH2 uma alta estabilidade estrutural, uma entalpia de reação de desidrogenação de 75 kJ/mol H2 e uma temperatura de decomposição de 280°C sob pressão de 100 kPa de H2. Além disso, o hidreto de magnésio pode liberar hidrogênio não apenas por decomposição térmica, mas também por uma reação de hidrólise, com uma produção teórica de hidrogênio de até 15,2% em peso (fração mássica).

No entanto, o MgH2 tem limitações em termos de desempenho de armazenamento de hidrogênio, principalmente devido à sua baixa cinética de absorção e liberação de hidrogênio. Para superar essas limitações, várias abordagens têm sido investigadas, incluindo a formação de ligas, adição de catalisadores, otimização da estrutura e combinação com hidretos complexos de metais leves.

A formação de ligas com elementos de transição, terras raras e outros elementos do grupo principal é uma das abordagens mais eficazes para melhorar o desempenho termodinâmico dos materiais à base de MgH2. A estabilidade termodinâmica do MgH2 é elevada, o que dificulta sua decomposição, mas ao formar ligas com elementos como Ni, Ti, In, Al, Ag, Si, Ga, La, Cd, entre outros, a mudança de entalpia das reações de absorção e liberação de hidrogênio pode ser reduzida, tornando o processo mais eficiente. Por exemplo, a liga Mg2Ni apresenta uma densidade de armazenamento de hidrogênio de 3,6% em peso e uma entalpia de reação de ±64,5 kJ/mol H2, enquanto o Mg2FeH6 apresenta a maior densidade volumétrica de armazenamento de hidrogênio (150 kg/m3) e uma densidade de armazenamento de hidrogênio de 5,5% em peso, com uma mudança de entalpia de 87 kJ/mol H2. A preparação de tais ligas pode envolver técnicas como moagem de alta energia ou métodos de combustão de hidruração.

Além da formação de ligas, a adição de catalisadores é outra abordagem crucial para melhorar o desempenho cinético dos materiais de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio. A energia de dissociação do hidrogênio na superfície de Mg é alta (1,15 eV), o que dificulta a reação de absorção de hidrogênio. A adição de catalisadores reduz essa energia de dissociação, facilitando a absorção de hidrogênio e melhorando o desempenho cinético do sistema. Catalisadores metálicos e compostos intermetálicos, como Mg2NiH4, TiH2, e outros, podem formar fases catalíticas in situ que aceleram a dissociação/desorção do hidrogênio. Além disso, o efeito do catalisador depende não apenas de suas propriedades intrínsecas, mas também de fatores como morfologia, tamanho das partículas e dispersão, que afetam significativamente sua atividade catalítica.

Entre os catalisadores mais eficazes estão os metais de transição, como Pd, Cu, Ni e Fe, cujas energias de dissociação de H2 são significativamente mais baixas que as do Mg. A adição de tais catalisadores acelera a reação de absorção e liberação de hidrogênio, melhorando a cinética geral do processo. Pesquisas recentes indicam que a formação de compostos como Ni@Ti-MX, uma combinação de nanopartículas de Ni e materiais MXene, pode resultar em uma melhoria significativa no desempenho do armazenamento de hidrogênio. Esses materiais catalíticos múltiplos formam fases sinérgicas que aumentam a adsorção e desorção de átomos de hidrogênio na superfície de Mg, facilitando as reações de absorção e liberação.

Outra abordagem promissora para melhorar o desempenho dos materiais à base de MgH2 é a modulação da estrutura nanométrica. A redução do tamanho das partículas de MgH2/Mg aumenta a área superficial e a densidade de estados ativos, o que favorece a reação de absorção/desorção de hidrogênio. No entanto, a nanostruturação pode tornar o material termodinamicamente instável. Para preservar a estabilidade estrutural, materiais confinantes, como nanotubos de carbono, grafeno, e materiais porosos 3D, podem ser usados para manter a integridade da estrutura nanométrica. Isso não só melhora a cinética da reação de hidrogênio, mas também ajuda a prevenir o crescimento ou agregação indesejada das partículas de Mg e catalisadores.

Esses métodos são cruciais para o avanço dos sistemas de armazenamento de hidrogênio à base de magnésio, que têm o potencial de desempenhar um papel importante na transição para uma economia de hidrogênio mais eficiente e sustentável. A combinação de ligas, catalisadores e modulação da estrutura nanométrica oferece uma via promissora para superar as limitações atuais e melhorar o desempenho geral desses materiais em termos de armazenamento e liberação de hidrogênio.

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