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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, que pode ser convertido novamente em combustíveis úteis de forma sustentável. Uma maneira promissora de converter as emissões de CO2 em matéria-prima é um processo chamado redução eletroquímica. Mas, para ser comercialmente viável, o processo precisa ser aprimorado para selecionar 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 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, cientista sênior do Departamento de Ciências Químicas do Laboratório Berkeley e professor de engenharia química da Universidade da Califórnia, Berkeley. Spell disse: "Nossa equipe descobriu que é possível usar o ambiente local do catalisador para realizar vários truques e fornecer esse tipo de seletividade."
Em estudos anteriores, pesquisadores estabeleceram condições precisas para fornecer o melhor ambiente elétrico e químico para a criação de produtos ricos em carbono com valor comercial. No entanto, essas condições são contrárias às 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 de água da célula de combustível, como parte do projeto do Centro de Inovação em Energia da Liquid Sunshine Alliance 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 ter um forte impacto no microambiente.
Chanyeon Kim, pesquisadora de pós-doutorado no grupo 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 a produção de produtos ricos em carbono que podem ser facilmente convertidos em substâncias químicas úteis. Produtos e combustíveis líquidos.
Os pesquisadores aplicaram uma fina camada de cada ionômero e uma camada dupla de dois ionômeros a uma película de cobre suportada por um material polimérico para formar uma película, 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 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. No caso de duas camadas, eles descobriram que os produtos ricos em carbono representaram 80% da energia consumida pela reação — mais do que 60% no caso sem revestimento.
"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 adequada para produtos ricos em carbono, mas também gera uma forte corrente simultaneamente, indicando um aumento na atividade.
Os pesquisadores concluíram que a melhora na resposta foi resultado da alta concentração de CO2 acumulada no revestimento diretamente sobre o cobre. Além disso, moléculas com carga negativa 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 comprovada que dispensa o uso de filme ionômero como outro método para aumentar o CO2 e o pH: a voltagem pulsada. Ao aplicar voltagem pulsada ao revestimento 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 voltagem 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 utilizamos nossa compreensão da cinética de reações e esse conhecimento nos guiou na reflexão sobre como alterar o ambiente do local do catalisador", disse Adam Weber, engenheiro sênior, cientista 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, 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 métodos comerciais podem envolver o revestimento de pequenas esferas de cobre", disse Bell. Adicionar uma segunda camada de revestimento torna-se desafiador. Uma possibilidade é misturar e depositar os dois revestimentos juntos em um solvente e esperar que se separem quando o solvente evaporar. E se isso não acontecer? Bell concluiu: "Só precisamos ser mais inteligentes." Consulte Kim C, Bui JC, Luo X e outros. Microambiente de catalisador personalizado para eletrorredução de CO2 em produtos multicarbono usando revestimento de ionômero de dupla camada em cobre. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Horário da publicação: 22/11/2021
