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O dióxido de carbono (CO2) é o produto da queima de combustíveis fósseis e do gás de efeito estufa mais comum, que pode ser convertido novamente em combustíveis úteis de maneira sustentável.Uma maneira promissora de converter as emissões de CO2 em matéria-prima de combustível é um processo chamado redução eletroquímica.Mas para ser comercialmente viável, o processo precisa ser melhorado para selecionar ou produzir produtos ricos em carbono mais desejados.Agora, conforme relatado na revista Nature Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) desenvolveu um novo método para melhorar a superfície do catalisador de cobre usado para a reação auxiliar, aumentando assim a seletividade do processo.
“Embora saibamos que o cobre é o melhor catalisador para essa reação, ele não fornece alta seletividade para o produto desejado”, disse Alexis, cientista sênior do Departamento de Ciências Químicas do Berkeley Lab e professor de engenharia química da Universidade da Califórnia, Berkeley.disse Spell.“Nossa equipe descobriu que você pode usar o ambiente local do catalisador para fazer vários truques para fornecer esse tipo de seletividade.”
Em estudos anteriores, os pesquisadores estabeleceram condições precisas para fornecer o melhor ambiente elétrico e químico para a criação de produtos ricos em carbono com valor comercial.Mas essas condições são contrárias às condições que ocorrem naturalmente em células de combustível típicas que usam materiais condutores à base de água.
A fim de determinar o design que pode ser usado no ambiente de água da célula de combustível, como parte do projeto Energy Innovation Center da Liquid Sunshine Alliance do Ministério da Energia, Bell e sua equipe se voltaram para uma fina camada de ionômero, que permite que certas cargas carregadas moléculas (íons) para passar.Exclua outros íons.Devido às suas propriedades químicas altamente seletivas, eles são particularmente adequados para ter um forte impacto no microambiente.
Chanyeon Kim, pesquisador de pós-doutorado do grupo Bell e primeiro autor do artigo, propôs revestir a superfície dos catalisadores de cobre com dois ionômeros comuns, Nafion e Sustainion.A equipe levantou a hipótese de que isso deveria mudar o ambiente próximo ao catalisador – incluindo o pH e a quantidade de água e dióxido de carbono – de alguma forma para direcionar a reação para produzir produtos ricos em carbono que podem ser facilmente convertidos em produtos químicos úteis.Produtos e combustíveis líquidos.
Os pesquisadores aplicaram uma fina camada de cada ionômero e uma camada dupla de dois ionômeros a um filme de cobre suportado por um material polimérico para formar um filme, que eles poderiam inserir perto de uma extremidade de uma célula eletroquímica em forma de mão.Ao injetar dióxido de carbono na bateria e aplicar tensão, eles mediram a corrente total que flui pela bateria.Em seguida, eles mediram o gás e o líquido coletados no reservatório adjacente durante a reação.Para o caso de duas camadas, eles descobriram que os produtos ricos em carbono representavam 80% da energia consumida pela reação – mais de 60% no caso não revestido.
“Este revestimento sanduíche oferece o melhor dos dois mundos: alta seletividade de produto e alta atividade”, disse Bell.A superfície de camada dupla não é apenas boa para produtos ricos em carbono, mas também gera uma forte corrente ao mesmo tempo, indicando um aumento na atividade.
Os pesquisadores concluíram que a resposta melhorada foi resultado da alta concentração de CO2 acumulada no revestimento diretamente sobre o cobre.Além disso, moléculas carregadas negativamente que se acumulam na região entre os dois ionômeros produzirão menor acidez local.Essa combinação compensa as trocas de concentração que tendem a ocorrer na ausência de filmes de ionômero.
Para melhorar ainda mais a eficiência da reação, os pesquisadores recorreram a uma tecnologia já comprovada que não requer um filme de ionômero como outro método para aumentar o CO2 e o pH: a voltagem pulsada.Ao aplicar voltagem pulsada ao revestimento de ionômero de camada dupla, os pesquisadores alcançaram um aumento de 250% em produtos ricos em carbono em comparação com cobre não revestido e voltagem estática.
Embora alguns pesquisadores foquem seus trabalhos no desenvolvimento de novos catalisadores, a descoberta do catalisador não leva em consideração as condições de operação.Controlar o ambiente na superfície do catalisador é um método novo e diferente.
“Não criamos um catalisador completamente novo, mas usamos nossa compreensão da cinética de reação e usamos esse conhecimento para nos guiar na reflexão sobre como mudar o ambiente do local do catalisador”, disse Adam Weber, engenheiro sênior.Cientistas na área de tecnologia de energia nos Laboratórios de Berkeley e co-autores de artigos.
O próximo passo é expandir a produção de catalisadores revestidos.Os experimentos preliminares da equipe do Berkeley Lab envolveram pequenos sistemas de modelo plano, muito mais simples do que as estruturas porosas de grande área necessárias para aplicações comerciais.“Não é difícil aplicar um revestimento em uma superfície plana.Mas os métodos comerciais podem envolver o revestimento de pequenas bolas de cobre”, disse Bell.Adicionar uma segunda camada de revestimento torna-se 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.E se não o fizerem?Bell concluiu: “Só precisamos ser mais espertos.”Consulte Kim C, Bui JC, Luo X e outros.Microambiente de catalisador personalizado para eletro-redução de CO2 em produtos multicarbono usando revestimento de ionômero de camada dupla em cobre.Nat Energy.2021;6(11):1026-1034.doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Horário de postagem: 22 de novembro de 2021
