Aplicação de métodos avançados de química quântica relativística no estudo de reações de ativação de amônia para conversão a gás hidrogênio

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Georgetti, Fernando
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: ammonia activation; ativação da amônia; efeitos relativísticos; four-components; green hydrogen; hidrogênio verde; quatro componentes; química teórica; relativistic effects; theoretical chemistry
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/75/75134/tde-17122024-161159/

A necessidade de descarbonização da economia é urgente para reduzir as emissões de gases de efeito estufa, mitigar os impactos ambientais e promover a sustentabilidade. Nesse cenário, o hidrogênio verde surge como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis. No entanto, o transporte e armazenamento desse gás representam um grande desafio nessa indústria emergente, demandando a busca por soluções inovadoras. A amônia, que contém três átomos de hidrogênio em sua molécula, se destaca como uma opção viável para o armazenamento de hidrogênio verde, cuja produção está em ascensão no Brasil e em todo o mundo. Antes de ser utilizado, o hidrogênio precisa ser extraído da amônia por meio de um processo de desidrogenação. Atualmente, a utilização de química teórica e computacional é imprescindível para investigar as propriedades cinéticas e termodinâmicas, bem como os mecanismos das reações de interesse tecnológico, como a desidrogenação da amônia. Estudos na literatura revelaram que reações de ativação da amônia por actinídeos, em fase gasosa, possuem rotas de conversão a hidrogênio. Contudo, seria importante que sistemas com elementos tão pesados fossem investigados em um nível de tratamento relativístico avançado de quatro componentes, algo que não é comum. Neste trabalho, foram analisadas as reações Thn+ NH3 (n = 0, +1, +2) em diferentes níveis de tratamento relativístico. Os resultados indicam que os efeitos relativísticos de spin-órbita podem ser muito significativos para a primeira barreira de energia, que resulta na transferência do primeiro hidrogênio ao átomo de tório. Assim, é possível até mesmo observar um cancelamento quase completo entre os efeitos escalares e de acoplamento spin-órbita para esta etapa com Th+. Apesar de alguns desses sistemas se mostrarem promissores para a conversão a hidrogênio, a utilização de tório para esse propósito é improvável. Com vistas à uma possível aplicação prática, foram investigadas as reações La+, LaO+, LaN + NH3 em fase gasosa, também em diferentes níveis de tratamento relativístico. Como esperado, os efeitos de acoplamento spin-órbita parecem não ser muito significativos para estas reações, ao contrário dos efeitos escalares, os quais são relevantes em algumas etapas das reações. Entre os sistemas contendo lantânio estudados, o mais promissor para a conversão em hidrogênio, tanto do ponto de vista cinético quanto termodinâmico, foi o cátion, ou seja, via a reação La+ + NH3. Nos outros casos, LaO+ e LaN, os produtos majoritários previstos talvez possam ser utilizados em reações subsequentes de transferência de grupos -NH2 e -OH.