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 Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade de Columbia encontraram um método para transformar dióxido de carbono (CO2) em nanofibras de carbono. Esses materiais têm várias propriedades especiais e podem ser usados de muitas maneiras no futuro. A estratégia que eles empregam envolve a combinação de reações eletroquímicas e termoquímicas realizado em baixas temperaturas e pressão regular. Conforme detalhado pelos cientistas em seu publicação, este método inovador sequestra efetivamente o carbono em um estado sólido valioso, 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.
Líder da pesquisa e Engenharia Química Professor Jingguang Chen na Columbia, com uma nomeação conjunta no Brookhaven Lab, disse: “Você pode colocar as nanofibras de carbono no cimento para fortalecer o cimento. Isso bloquearia o carbono no concreto por pelo menos 50 anos, potencialmente mais. Até lá, o mundo deve mudar para fontes de energia principalmente renováveis que não emitem carbono.”
Captura e conversão de carbono
Captura e conversão de CO2 combater as mudanças climáticas não é um conceito novo. No entanto, simplesmente armazenar gás CO2 pode resultar em vazamentos. Muitas conversões de CO2 geram produtos químicos ou combustíveis à base de carbono que são imediatamente usados, liberando CO2 de volta à atmosfera.
O Prof. Chen disse: “A novidade deste trabalho é que estamos tentando converter CO2 em algo que agregue valor, mas de 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 mitigação de CO2 em larga escala. Em contraste, encontramos um processo que pode ocorrer a cerca de 400° Celsius, que é uma temperatura muito mais prática e industrialmente atingível,” O professor Chen acrescentou.
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.
Autor principal do artigo e cientista pesquisador do Brookhaven Lab e da Columbia, Zhenhua Xie, disse, “Se você desacoplar a reação em várias etapas de sub-reação, poderá considerar o uso de diferentes tipos de entrada de energia e catalisadores para fazer cada parte da reação funcionar.”
Etapa 1
Os cientistas descobriram que usando monóxido de carbono (CO) como material de partida é mais eficaz do que usar CO2 para produzir nanofibras de carbono (CNF). Eles posteriormente trabalharam de volta para determinar o método mais eficiente para gerar CO a partir de CO2. Seu trabalho anterior os levou a usar um eletrocatalisador disponível comercialmente feito de paládio suportado em carbono. Isso eletrocatalisador pode dividir CO2 e água em CO e H2 com a ajuda de uma corrente elétrica.
Etapa 2
Então, para a produção de nanofibras de carbono sólidas a partir de catalisadores de CO2, os cientistas recorreram a uma termocatalisador ativado por calor feito de uma liga de ferro-cobalto. Ele opera em temperaturas cerca de 400° Celsius, significativamente mais suave do que uma direta Conversão de CO2 para CNF exigiria. Eles também descobriram que adicionar um pouco de cobalto metálico extra aumenta muito a formação das nanofibras de carbono.
O professor Chen disse: “Ao acoplar a eletrocatálise e a termocatálise, estamos usando esse processo em conjunto para alcançar coisas que não podem ser alcançadas por nenhum dos processos sozinho.”
Veja também: Reciclagem de CO2 para criar plásticos ecológicos
Investigação de catalisadores
Os cientistas conduziram vários experimentos para entender como esses catalisadores funcionam. Em termos de modelagem, os cientistas empregaram teoria do funcional da densidade (DFT) cálculos para examinar as estruturas atômicas e outras propriedades dos catalisadores sob várias interações químicas. Experimentos de raios X no NSLS-II monitoraram as transformações físicas e químicas dos catalisadores ao longo das reações.
Coautor e líder dos cálculos do estudo, Ping Liu da Divisão de Química de Brookhaven, disse: “Estamos observando as estruturas para determinar quais são as fases estáveis do catalisador sob condições de reação. Estamos observando os sítios ativos e como esses sítios estão se ligando 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.”
“Para a segunda etapa, queríamos saber qual é a estrutura do sistema ferro-cobalto sob condições de reação e como otimizar o catalisador ferro-cobalto”, Xie acrescentou.
Os experimentos de raios X confirmou a presença de uma liga de ferro e cobalto. Também mostra algum cobalto metálico adicional, necessário para converter CO em nanofibras de carbono. De acordo com Liu, “Os dois trabalham juntos sequencialmente. De acordo com nosso estudo, os sítios de cobalto-ferro na liga ajudam a quebrar as ligações de CO do monóxido de carbono. Isso torna o carbono atômico disponível para servir como fonte para a construção de nanofibras de carbono. Então, o cobalto extra está lá para facilitar a formação das ligações de CC que ligam os átomos de carbono,”
Ecologicamente correto e neutro em carbono
Cientista da CFN e coautor do estudo, Soo Yeon Hwang, disse, “A análise de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) conduzida no CFN revelou as morfologias, estruturas cristalinas e distribuições elementares dentro das nanofibras de carbono com e sem catalisadores.”
Segundo o Prof. Chen, “As imagens mostram que, conforme 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, para que possamos concentrar os metais e reciclá-los para serem usados como catalisador novamente.”
As o processo é rentável devido às seguintes razões:
- 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 sólidas a partir de catalisadores de CO2 for alimentado por recursos renováveis, será verdadeiramente neutro em carbono. Isso abrirá ainda mais novas oportunidades para a mitigação de CO2.
fonte: Combo Catalítico Converte CO2 em Nanofibras Sólidas de Carbono
