Pesquisas e experimentos contínuos estão em andamento para encontrar a melhor maneira possível de capturar dióxido de carbono da atmosfera. Pesquisadores do Brookhaven National Laboratory do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade de Columbia desenvolveram um método inovador para isso. O processo de produção de nanofibras de carbono sólido a partir de catalisadores de CO2 não apenas capturará carbono, mas também produzirá hidrogênio como subproduto.
Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, e da Universidade de Columbia descobriram um método para transformar dióxido de carbono (CO2) em nanofibras de carbono. Esses materiais possuem diversas propriedades especiais e podem ser utilizados de muitas maneiras no futuro. A estratégia empregada envolve a combinação de reações eletroquímicas e termoquímicas realizadas em baixas temperaturas e pressão controlada. Conforme detalhado pelos cientistas em sua publicação , esse método inovador sequestra o carbono de forma eficaz em um valioso estado sólido, levando à mitigação ou mesmo à reversão das emissões de carbono. Além disso, o processo também gera gás hidrogênio (H2 ) , um combustível alternativo altamente promissor que, quando utilizado, produz zero emissões.
O líder da pesquisa e professor de Engenharia Química da Universidade Columbia, Jingguang Chen, com nomeação conjunta no Laboratório Brookhaven, disse: “Você pode colocar nanofibras de carbono no cimento para fortalecê-lo. Isso reteria o carbono no concreto por pelo menos 50 anos, potencialmente por mais tempo. Até lá, o mundo já deveria estar utilizando principalmente fontes de energia renováveis que não emitem carbono.”
Captura e conversão de carbono
Capturar e converter CO2 para combater as mudanças climáticas não é um conceito novo. No entanto, o simples armazenamento de gás CO2 pode resultar em vazamentos. Muitas conversões de CO2 geram produtos químicos ou combustíveis à base de carbono que são usados imediatamente, liberando CO2 de volta para a atmosfera.
O professor Chen disse: "A novidade deste trabalho é que estamos tentando converter o CO2 em algo que agregue valor, mas em uma forma sólida e útil."
Nanofibras e nanotubos de carbono são materiais de carbono sólido que têm dimensões de bilionésimos de metro. Resistência, condutividade térmica e elétrica estão incluídas na lista de suas propriedades. Extrair carbono do CO2 e montá-lo em estruturas de pequena escala não é fácil. Um processo que depende de calor exige temperaturas acima de 1,000° Celsius.
“É muito irrealista para a mitigação de CO2 em larga escala. Em contrapartida, descobrimos um processo que pode ocorrer a cerca de 400° Celsius, uma temperatura muito mais prática e viável industrialmente”, acrescentou o Prof. Chen.
O tandem de 2 passos
A reação foi dividida em 2 estágios para usar 2 tipos diferentes de catalisador. Isso torna mais fácil para as moléculas se organizarem e reagirem.
O autor principal do artigo e cientista pesquisador do Laboratório Brookhaven e da Universidade Columbia, Zhenhua Xie , disse: "Se você desacoplar a reação em várias subetapas, poderá considerar o uso de diferentes tipos de entrada de energia e catalisadores para fazer com que cada parte da reação funcione."
Etapa 1
Os cientistas descobriram que usar monóxido de carbono (CO) como matéria-prima é mais eficaz do que usar CO2 para produzir nanofibras de carbono (CNF). Em seguida, eles buscaram determinar o método mais eficiente para gerar CO a partir de CO2. Seus trabalhos anteriores os levaram a usar um eletrocatalisador comercialmente disponível, feito de paládio suportado em carbono. Esse eletrocatalisador consegue decompor tanto o CO2 quanto a água em CO e H2 com o auxílio de uma corrente elétrica.
Etapa 2
Para a produção de nanofibras de carbono sólidas a partir de catalisadores de CO2, os cientistas recorreram a um termocatalisador ativado por calor, feito de uma liga de ferro-cobalto. Ele opera a temperaturas em torno de 400° Celsius , significativamente mais amenas do que as necessárias para uma conversão direta de CO2 em CNF . Eles também descobriram que a adição de uma pequena quantidade extra de cobalto metálico aumenta consideravelmente a formação das nanofibras de carbono.
O professor Chen afirmou: "Ao acoplar a eletrocatálise e a termocatálise, estamos utilizando esse processo em tandem para alcançar resultados que não seriam possíveis com nenhum dos processos isoladamente."
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Investigação de catalisadores
Os cientistas realizaram diversos experimentos para entender como esses catalisadores funcionam. Em termos de modelagem, eles empregaram cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) para examinar as estruturas atômicas e outras propriedades dos catalisadores sob diversas interações químicas. Experimentos de raios X no NSLS-II monitoraram as transformações físicas e químicas dos catalisadores ao longo das reações.
Ping Liu , coautor e líder dos cálculos do estudo, da Divisão de Química de Brookhaven, afirmou: “Estamos analisando as estruturas para determinar quais são as fases estáveis do catalisador sob as condições de reação. Estamos observando os sítios ativos e como esses sítios se ligam aos intermediários da reação. Ao determinar as barreiras, ou estados de transição, de uma etapa para outra, aprendemos exatamente como o catalisador está funcionando durante a reação.”
“Na segunda etapa, queríamos saber qual é a estrutura do sistema ferro-cobalto sob condições de reação e como otimizar o catalisador ferro-cobalto”, acrescentou Xie.
Os experimentos de raios X confirmaram a presença de uma liga de ferro e cobalto. Também mostraram a presença de cobalto metálico adicional, necessário para a conversão de CO em nanofibras de carbono. De acordo com Liu, “Os dois atuam sequencialmente. Segundo nosso estudo, os sítios de cobalto-ferro na liga ajudam a quebrar as ligações CO do monóxido de carbono. Isso disponibiliza carbono atômico para servir como fonte para a construção de nanofibras de carbono. O cobalto extra, então, facilita a formação das ligações C-C que unem os átomos de carbono.”
Ecologicamente correto e neutro em carbono
Soo Yeon Hwang , cientista do CFN e coautora do estudo, afirmou: "A análise por microscopia eletrônica de transmissão (MET) realizada no CFN revelou as morfologias, estruturas cristalinas e distribuições elementares dentro das nanofibras de carbono, tanto com quanto sem catalisadores."
Segundo o Prof. Chen, “As imagens mostram que, à medida que as nanofibras de carbono crescem, o catalisador é empurrado para cima e para longe da superfície. Isso facilita a reciclagem do metal catalítico. Usamos ácido para lixiviar o metal sem destruir a nanofibra de carbono, de modo que podemos concentrar os metais e reciclá-los para serem usados novamente como catalisador.”
O processo é economicamente vantajoso pelos seguintes motivos:
- Facilidade de catalisador reciclagem
- Disponibilidade comercial de catalisadores
- Condições de reação relativamente suaves para a segunda reação
“Para aplicações práticas, ambos são realmente importantes: a análise da pegada de CO2 e a reciclabilidade do catalisador. Nossos resultados técnicos e essas outras análises mostram que essa estratégia em tandem abre uma porta para a descarbonização de CO2 em valiosos produtos de carbono sólido, ao mesmo tempo em que produz H₂ renovável”, acrescentou o Prof. Chen.
Se a produção de nanofibras de carbono sólido a partir de catalisadores de CO2 for alimentada por recursos renováveis , será verdadeiramente neutra em carbono . Isso abrirá novas oportunidades para a mitigação do CO2.
Fonte : Combinação catalítica converte CO2 em nanofibras de carbono sólidas
