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O dióxido de carbono (CO2) é o produto da queima de combustíveis fósseis e o gás de efeito estufa mais comum, podendo ser convertido novamente em combustíveis úteis de forma sustentável. Uma maneira promissora de converter emissões de CO2 em matéria-prima para combustíveis é um processo chamado redução eletroquímica. Mas, para ser comercialmente viável, o processo precisa ser aprimorado para selecionar ou produzir produtos mais ricos em carbono. 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 na reação auxiliar, aumentando assim a seletividade do processo.
“Embora saibamos que o cobre é o melhor catalisador para essa reação, ele não proporciona alta seletividade para o produto desejado”, disse Alexis Spell, cientista sênior do Departamento de Ciências Químicas do Laboratório Berkeley e professor de engenharia química da Universidade da Califórnia, Berkeley. “Nossa equipe descobriu que é possível usar o ambiente local do catalisador para realizar diversos truques e obter esse tipo de seletividade.”
Em estudos anteriores, pesquisadores estabeleceram condições precisas para proporcionar 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 a combustível típicas que utilizam materiais condutores à base de água.
Para determinar o design que pode ser usado no ambiente aquoso de células a combustível, como parte do projeto do Centro de Inovação Energética da Aliança Liquid Sunshine do Ministério da Energia, Bell e sua equipe recorreram a uma fina camada de ionômero, que permite a passagem de certas moléculas carregadas (íons), excluindo outros íons. Devido às suas propriedades químicas altamente seletivas, eles são particularmente adequados para causar um forte impacto no microambiente.
Chanyeon Kim, pesquisadora de pós-doutorado no grupo de Bell e primeira autora do artigo, propôs revestir a superfície de catalisadores de cobre com dois ionômeros comuns, Nafion e Sustainion. A equipe levantou a hipótese de que isso alteraria o ambiente próximo ao catalisador — incluindo o pH e a quantidade de água e dióxido de carbono — de alguma forma, direcionando a reação para produzir compostos ricos em carbono que podem ser facilmente convertidos em produtos químicos úteis e combustíveis líquidos.
Os pesquisadores aplicaram uma fina camada de cada ionômero e uma camada dupla de dois ionômeros em um filme de cobre suportado por um material polimérico para formar um filme, que puderam inserir próximo a uma das extremidades de uma célula eletroquímica em formato de mão. Ao injetar dióxido de carbono na bateria e aplicar voltagem, eles mediram a corrente total que fluía através da bateria. Em seguida, mediram o gás e o líquido coletados no reservatório adjacente durante a reação. No caso da camada dupla, descobriram que os produtos ricos em carbono representavam 80% da energia consumida pela reação — um percentual superior aos 60% observados no caso sem revestimento.
“Este revestimento em sanduíche oferece o melhor dos dois mundos: alta seletividade de produto e alta atividade”, disse Bell. A superfície de dupla camada não só é adequada para produtos ricos em carbono, como também gera uma corrente forte simultaneamente, indicando um aumento na atividade.
Os pesquisadores concluíram que a resposta aprimorada foi resultado da alta concentração de CO2 acumulada no revestimento diretamente sobre o cobre. Além disso, as moléculas carregadas negativamente que se acumulam na região entre os dois ionômeros produzem menor acidez local. Essa 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 já comprovada que não requer uma película de ionômero como outro método para aumentar o CO2 e o pH: tensão pulsada. Ao aplicar tensão pulsada ao revestimento de ionômero de dupla camada, os pesquisadores obtiveram um aumento de 250% nos produtos ricos em carbono em comparação com o cobre sem revestimento e a tensão estática.
Embora alguns pesquisadores concentrem seu trabalho 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 nosso conhecimento de cinética de reação para nos guiar na busca de maneiras de alterar o ambiente do sítio catalítico”, disse Adam Weber, engenheiro sênior e cientista da área de tecnologia energética dos Laboratórios Berkeley, coautor do artigo.
O próximo passo é expandir a produção de catalisadores revestidos. Os experimentos preliminares da equipe do Laboratório Berkeley envolveram pequenos sistemas modelo planos, 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 minúsculas esferas 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, na esperança de que se separem quando o solvente evaporar. E se não se separarem? Bell concluiu: “Precisamos ser mais inteligentes”. Consulte Kim C, Bui JC, Luo X e outros. Customed catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Data da publicação: 22/11/2021
