Americanos aprimoram transformação de CO2 em combustível líquido

Produto da queima de gás natural, petróleo e óleo diesel, o dióxido de carbono (CO2) é um dos grandes vilões do aquecimento global. Ao mesmo tempo em que se discutem políticas de diminuição das emissões do mais prevalente gás de efeito estufa, cientistas buscam maneiras de transformá-lo, de forma sustentável, em combustível para diversas aplicações. Um dos caminhos mais promissores é conhecido como redução eletroquímica. Mas, para ser comercialmente viável, o processo precisa ser melhorado, para que faça render uma quantidade maior de carbono do que a capacidade atual.

Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, da Universidade da Califórnia (UC), relatam, na revista Nature Energy, que conseguiram aprimorar o processo e desenvolver uma nova abordagem para modificar a superfície dos catalisadores de cobre usados para auxiliar a reação. “Embora saibamos que, para esse caso, o cobre é o melhor catalisador, ele não dá alta seletividade aos produtos desejados”, diz Alexis Bell, professor de engenharia química da UC Berkeley. “Nosso grupo descobriu que você pode fazer vários truques com o ambiente local do catalisador para fornecer essa seletividade.”

Em estudos anteriores, os pesquisadores estabeleceram as condições precisas que proporcionavam o melhor ambiente eletroquímico para a criação de produtos ricos em carbono comercialmente interessantes. Mas essas condições são diferentes das que ocorrem naturalmente em uma célula de combustível típica, que usa um material condutor à base de água.

Para localizar um projeto que pudesse ser usado no ambiente aquoso das células de combustível, Bell e os outros cientistas da equipe apostaram em camadas finas de ionômeros — polímeros que permitem a passagem de certas moléculas carregadas (os íons), enquanto exclui outras. Isso aumenta significativamente a seletividade do processo, explica Chanyeon Kim, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Bell e principal autor do artigo.

Kim propôs revestir a superfície do catalisador de cobre com dois ionômeros comuns, nafion e sustainion. A equipe levantou a hipótese de que isso modificaria o ambiente — incluindo o pH e as quantidades de água e CO2 — nas imediações do catalisador. Assim, seria possível direcionar a reação para gerar produtos ricos em carbono que podem ser prontamente convertidos em substâncias químicas úteis e combustíveis líquidos.

Bicamada

Os pesquisadores aplicaram uma fina camada de cada ionômero e uma bicamada de ambos, em filmes de cobre suportados por um material polimérico, formando membranas que podiam ser inseridas perto da extremidade de uma célula eletroquímica do tamanho de uma mão. Enquanto alimentavam o CO2 no dispositivo e aplicavam uma voltagem, os cientistas mediram a corrente total que fluía através dele. Em seguida, quantificaram os gases e líquidos que se acumularam em reservatórios adjacentes durante a reação. Para o caso da bicamada, os produtos ricos em carbono foram responsáveis por 80% da energia consumida — bem acima dos 60% na situação sem revestimento.

“Esse revestimento sanduíche oferece o melhor dos dois mundos: alta seletividade do produto e alta atividade”, comemora Bell. A superfície bicamada favoreceu não apenas produtos ricos em carbono, mas, ao mesmo tempo, gerou uma forte corrente elétrica, indicando aumento de atividade”, complementa.

Os pesquisadores concluíram que a reação melhorada era consequência da alta concentração de CO2 que se acumulava na camada de revestimento imediatamente acima do cobre. Além disso, moléculas com carga negativa que se juntavam na região entre os dois ionômeros criavam uma baixa acidez local, corrigindo um problema que tende a acontecer na ausência dos filmes.

Para aumentar ainda mais a eficiência da reação, os pesquisadores recorreram a uma técnica já demonstrada antes, sem filmes de ionômero. Ao usar uma tensão pulsante com o revestimento de ionômero de bicamada, os pesquisadores conseguiram um aumento de 250% em produtos ricos em carbono, em comparação com cobre não revestido e uma tensão estática.

Desafios

Adam Weber, da equipe da área de tecnologias de energia do Laboratório de Berkeley, diz que, embora, anteriormente, alguns pesquisadores tenham se dedicado ao desenvolvimento de novos catalisadores, eles não levaram em consideração as condições operacionais. Controlar o ambiente na superfície da substância que aumenta a velocidade da reação é uma abordagem nova e diferente, sustenta.

“Em vez de criar um catalisador, pegamos o que sabemos sobre a cinética de uma reação e usamos esse conhecimento para guiar nosso pensamento sobre como mudar o ambiente no local”, diz Weber. O cientista conta que a próxima etapa é aumentar a produção do catalisador revestido. Os experimentos iniciais da equipe envolveram sistemas muito mais simples de trabalhar em comparação com as estruturas porosas necessárias para aplicações comerciais.

“Não é difícil revestir uma superfície plana. Mas uma abordagem comercial pode envolver o revestimento de pequenas esferas de cobre”, diz Alexis Bell. Adicionar uma segunda camada se torna um desafio. Uma possibilidade é misturar e depositar os dois revestimentos juntos em um solvente e esperar que eles se separem quando o solvente evaporar. “Mas, se não der certo, precisamos apenas pensar em estratégias mais inteligentes.”


Fonte: tecnologia

Carlos Irineu Gonzales

Diretor e Redator

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