Cientistas desenvolveram uma forma de converter CO2, um potente gás de efeito estufa, em nanofibras de carbono, material com uma vasta gama de propriedades únicas e utilizações potenciais a longo prazo.
Por DOE/Laboratório Nacional de Brookhaven, com informações de Science Daily.
Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Columbia desenvolveram uma maneira de converter dióxido de carbono (CO 2), um potente gás de efeito estufa, em nanofibras de carbono, materiais com uma ampla gama de propriedades únicas e muitos usos potenciais de longa duração. Sua estratégia usa reações eletroquímicas e termoquímicas em tandem executadas em temperaturas e pressão ambiente relativamente baixas. Tal como os cientistas descrevem na revista Nature Catalysis, esta abordagem poderia reter com sucesso o carbono numa forma sólida útil para compensar ou mesmo alcançar emissões negativas de carbono.
“Você pode colocar nanofibras de carbono no cimento para fortalecê-lo”, disse Jingguang Chen, professor de engenharia química na Columbia com nomeação conjunta no Brookhaven Lab, que liderou a pesquisa. “Isso iria reter o carbono no concreto por pelo menos 50 anos, potencialmente mais. Até então, o mundo deveria mudar para fontes de energia principalmente renováveis que não emitem carbono.”
Como bônus, o processo também produz gás hidrogênio (H 2), um combustível alternativo promissor que, quando utilizado, gera zero emissões.
Capturar ou converter carbono
A ideia de capturar CO 2 ou convertê-lo noutros materiais para combater as alterações climáticas não é nova. Mas simplesmente armazenar gás CO 2 pode causar vazamentos. E muitas conversões de CO 2 produzem produtos químicos ou combustíveis à base de carbono que são utilizados imediatamente, o que liberta CO 2 de volta para a atmosfera.
“A novidade deste trabalho é que estamos tentando converter o CO 2 em algo com valor agregado, mas de forma sólida e útil”, disse Chen.
Esses materiais sólidos de carbono – incluindo nanotubos de carbono e nanofibras com dimensões que medem bilionésimos de metro – têm muitas propriedades atraentes, incluindo resistência e condutividade térmica e elétrica. Mas não é uma questão simples extrair carbono do dióxido de carbono e fazê-lo reunir-se nestas estruturas de pequena escala. Um processo direto movido por calor requer temperaturas superiores a 1.000 graus Celsius.
“É muito irrealista a mitigação de CO2 em larga escala”, disse Chen. “Em contraste, encontramos um processo que pode ocorrer a cerca de 400 graus Celsius, que é uma temperatura muito mais prática e alcançável industrialmente.”
O tandem de duas etapas
O truque foi dividir a reação em etapas e usar dois tipos diferentes de catalisadores – materiais que facilitam a união e a reação das moléculas.
“Se você dissociar 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”, disse o cientista pesquisador do Brookhaven Lab e da Columbia, Zhenhua Xie, autor principal do artigo.
Os cientistas começaram por perceber que o monóxido de carbono (CO) é um material de partida muito melhor do que o CO 2 para a produção de nanofibras de carbono (CNF). Depois voltaram atrás para encontrar a forma mais eficiente de gerar CO a partir do CO 2 .
Trabalhos anteriores de seu grupo os orientaram a usar um eletrocatalisador comercialmente disponível feito de paládio suportado em carbono. Os eletrocatalisadores conduzem reações químicas usando uma corrente elétrica. Na presença de elétrons e prótons fluindo, o catalisador divide tanto o CO 2 quanto a água (H 2 O) em CO e H 2 .
Para a segunda etapa, os cientistas recorreram a um termocatalisador ativado por calor feito de uma liga de ferro-cobalto. Ele opera em temperaturas em torno de 400 graus Celsius, significativamente mais amenas do que exigiria uma conversão direta de CO 2 em CNF. Eles também descobriram que adicionar um pouco de cobalto metálico extra aumenta muito a formação de nanofibras de carbono.
“Ao acoplar a eletrocatálise e a termocatálise, estamos usando esse processo em conjunto para alcançar coisas que não podem ser alcançadas apenas por nenhum dos processos”, disse Chen.
Caracterização do catalisador
Para descobrir os detalhes de como esses catalisadores funcionam, os cientistas conduziram uma ampla gama de experimentos. Estes incluíram estudos de modelagem computacional, estudos de caracterização física e química na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II (NSLS-II) do Laboratório Brookhaven – usando linhas de luz de Absorção e Dispersão Rápida de Raios-X (QAS) e Espectroscopia de Concha Interna (ISS) – e imagens microscópicas nas instalações de Microscopia Eletrônica do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório.
Na frente de modelagem, os cientistas usaram cálculos da “teoria do funcional da densidade” (DFT) para analisar os arranjos atômicos e outras características dos catalisadores ao interagir com o ambiente químico ativo.
“Estamos analisando as estruturas para determinar quais são as fases estáveis do catalisador sob condições de reação”, explicou o coautor do estudo, Ping Liu, da Divisão de Química de Brookhaven, que liderou esses cálculos. “Estamos analisando 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.”
Os experimentos de difração de raios X e absorção de raios X no NSLS-II rastrearam como os catalisadores mudam física e quimicamente durante as reações. Por exemplo, raios X síncrotron revelaram como a presença de corrente elétrica transforma o paládio metálico no catalisador em hidreto de paládio, um metal essencial para a produção de H 2 e CO na primeira etapa da 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”, disse Xie. Os experimentos de raios X confirmaram que tanto uma liga de ferro e cobalto quanto algum cobalto metálico extra estão presentes e são necessários para converter CO em nanofibras de carbono.
“Os dois trabalham juntos sequencialmente”, disse Liu, cujos cálculos DFT ajudaram a explicar o processo.
“De acordo com nosso estudo, os locais de cobalto-ferro na liga ajudam a quebrar as ligações 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 de as ligações CC que ligam os átomos de carbono”, explicou ela.
Pronto para reciclagem, carbono negativo
“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”, disse o cientista do CFN e coautor do estudo, Sooyeon Hwang.
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, disse Chen.
“Usamos ácido para lixiviar o metal sem destruir a nanofibra de carbono, para que possamos concentrar os metais e reciclá-los para serem usados novamente como catalisador”, disse ele.
Esta facilidade de reciclagem do catalisador, a disponibilidade comercial dos catalisadores e as condições de reação relativamente suaves para a segunda reação contribuem para uma avaliação favorável da energia e outros custos associados ao processo, disseram os pesquisadores.
“Para aplicações práticas, ambos são realmente importantes – a análise da pegada de CO2 e a reciclabilidade do catalisador”, disse Chen. “Nossos resultados técnicos e essas outras análises mostram que esta estratégia conjunta abre uma porta para a descarbonização do CO 2 em produtos valiosos de carbono sólido, ao mesmo tempo em que produz H 2 renovável .”
Se estes processos forem impulsionados por energias renováveis, os resultados seriam verdadeiramente negativos em termos de carbono, abrindo novas oportunidades para a mitigação de CO 2 .
Esta pesquisa foi apoiada pelo DOE Office of Science (BES). Os cálculos DFT foram realizados usando recursos computacionais no CFN e no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE. NSLS-II, CFN e NERSC são instalações de usuários do DOE Office of Science.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo DOE/Brookhaven National Laboratory . Nota: O conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do periódico :
Zhenhua Xie, Erwei Huang, Samay Garg, Sooyeon Hwang, Ping Liu, Jingguang G. Chen. “CO2 fixation into carbon nanofibres using electrochemical–thermochemical tandem catalysis“. Catálise da Natureza , 2024; DOI: 10.1038/s41929-023-01085-1
