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O dióxido de carbono (CO2) é o produto da queima de combustíveis fósseis e o gás com efeito de estufa mais comum, que pode ser convertido novamente em combustíveis úteis de forma sustentável. Uma forma promissora de converter as emissões de CO2 em matéria-prima de combustível é um processo denominado redução eletroquímica. Mas para ser comercialmente viável, o processo precisa de ser melhorado para seleccionar ou produzir produtos ricos em carbono mais desejados. Agora, conforme relatado na revista Nature Energy, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (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 esta 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 na Universidade. da Califórnia, Berkeley. Feitiço disse. “Nossa equipe descobriu que é possível usar o ambiente local do catalisador para fazer vários truques para fornecer esse tipo de seletividade.”
Em estudos anteriores, os investigadores estabeleceram condições precisas para fornecer o melhor ambiente eléctrico e químico para a criação de produtos ricos em carbono com valor comercial. Mas estas condições são contrárias às condições que ocorrem naturalmente em células de combustível típicas que utilizam materiais condutores à base de água.
Para determinar o design que pode ser usado no ambiente aquático da célula de combustível, como parte do projeto do Centro de Inovação Energética da Liquid Sunshine Alliance do Ministério da Energia, Bell e sua equipe recorreram a uma fina camada de ionômero, que permite certa carga moléculas (íons) passarem. Exclua outros íons. Devido às suas propriedades químicas altamente seletivas, são particularmente adequados para causar um forte impacto no microambiente.
Chanyeon Kim, pesquisador de pós-doutorado no 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 próximo a uma extremidade de uma célula eletroquímica em formato de mão. Ao injetar dióxido de carbono na bateria e aplicar tensão, eles mediram a corrente total que flui através da bateria. Em seguida, mediram o gás e o líquido coletados no reservatório adjacente durante a reação. Para o caso de duas camadas, 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 do produto e alta atividade”, disse Bell. A superfície de camada dupla não é boa apenas 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. Esta combinação compensa as compensações 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 previamente comprovada que não requer filme de ionômero como outro método para aumentar o CO2 e o pH: a tensão pulsada. Ao aplicar tensão pulsada ao revestimento de ionômero de camada dupla, os pesquisadores alcançaram um aumento de 250% em produtos ricos em carbono em comparação ao cobre não revestido e à tensão estática.
Embora alguns pesquisadores concentrem seu trabalho no desenvolvimento de novos catalisadores, a descoberta do catalisador não leva em consideração as condições operacionais. Controlar o ambiente na superfície do catalisador é um método novo e diferente.
“Não criamos um catalisador completamente novo, mas usamos nosso conhecimento da cinética da 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 da área de tecnologia energética dos Laboratórios Berkeley e coautor de artigos.
O próximo passo é expandir a produção de catalisadores revestidos. Os experimentos preliminares da equipe do Berkeley Lab envolveram pequenos sistemas de modelos planos, que eram muito mais simples do que as estruturas porosas de grandes áreas necessárias para aplicações comerciais. “Não é difícil aplicar um revestimento sobre 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 em um solvente e esperar que eles se separem quando o solvente evaporar. E se não o fizerem? Bell concluiu: “Só precisamos ser mais inteligentes”. Consulte Kim C, Bui JC, Luo X e outros. Microambiente catalisador personalizado para eletrorredução de CO2 em produtos multicarbono usando revestimento de ionômero de camada dupla em cobre. Energia Nacional. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Horário da postagem: 22 de novembro de 2021
