E se pudéssemos transformar o dióxido de carbono, CO2, em um recurso valioso? Usar o CO2 como matéria-prima para criar combustíveis ou outros produtos químicos ofereceria benefícios econômicos e ambientais. O desafio é projetar processos eficazes que produzam apenas o produto químico desejado:metano ou monóxido de carbono. Porque? Os cientistas não tinham uma compreensão clara das etapas essenciais do mecanismo de reação. Cientistas do Pacific Northwest National Laboratory, liderado pelo Dr. Janos Szanyi, determinou esse formato (HCOO-), um íon frequentemente esquecido, foi um intermediário crítico no processo geral de conversão de CO2. O equilíbrio nas taxas de conversão de intermediários de formato e monóxido de carbono determina quais produtos químicos são produzidos.

"Este estudo nos dá informações cruciais para usar uma matéria-prima facilmente disponível, CO2, e transformá-lo em algo útil - um intermediário químico, monóxido de carbono, ou um portador de energia, metano. Este intermediário pode ser usado para a produção de hidrocarbonetos superiores, ou combustíveis, "disse Szanyi.

Por anos, alguns considerados formato nada mais do que um espectador, uma molécula que não contribuiu para a reação. Agora, a equipe mostrou que formato é realmente vital. Compreendendo as etapas, e o papel dos formatos, permite que os cientistas projetem um catalisador seletivo que bombeia os produtos químicos desejados. Compreender as etapas da reação fornece aos cientistas informações cruciais para controlar a reação. Avançar, o trabalho encerra uma controvérsia de longa data sobre o papel dos formatos na superfície do catalisador.

Neste estudo, uma equipe do Pacific Northwest National Laboratory determinou os fatores que controlam a seletividade de um catalisador para a hidrogenação de CO2 em monóxido de carbono ou metano. Eles usaram uma nova combinação de experimentos de transmissão operando FTIR e SSITKA (Fourier Transform Infrared Spectroscopy / Steady State Isotopic Transient Kinetic Analysis).

Eles determinaram o comportamento dos principais intermediários (formatos e monóxido de carbono) na superfície do catalisador. Para a formação de monóxido de carbono, a etapa determinante da taxa é a conversão, ou redução, de formato adsorvido na interface do catalisador de paládio metálico e o suporte de óxido de alumínio. Para formação de metano, a etapa de determinação da taxa (veja as setas verdes na figura) é adicionar hidrogênio ao monóxido de carbono adsorvido. O equilíbrio entre as taxas de redução do formato absorvido e a metanação do monóxido de carbono governa a seletividade do catalisador. Isso é, a seletividade gira em torno da rapidez com que os intermediários na superfície captam hidrogênio, criando monóxido de carbono ou metano.

Tendo determinado os principais aspectos da reação, a equipe projetou três catalisadores com diferentes distribuições de paládio. A quantidade de paládio na superfície, eles encontraram, é outro aspecto vital na seleção dos produtos. O catalisador com menos paládio produziu monóxido de carbono e metano, com maior seletividade para monóxido de carbono. Em contraste, seletividade superior a 80 por cento para a formação de metano foi observada sobre o catalisador com a maior carga de metal.

A equipe agora está modificando o ambiente ao redor do local ativo do catalisador para ajustar sua seletividade. Este trabalho tem como objetivo reduzir a quantidade de produtos indesejados liberados. Além disso, a equipe está desenvolvendo métodos para preparar catalisadores de átomo único para aumentar a eficiência dos metais preciosos envolvidos.