Os átomos na superfície do cobre (751) estão relativamente distantes em comparação com outros cristais de cobre. Isso poderia explicar porque o cobre (751) é muito mais seletivo para produzir etanol quando exposto ao dióxido de carbono. Crédito:Christopher Hahn / SLAC National Accelerator Laboratory
A maioria dos carros e caminhões nos Estados Unidos funciona com uma mistura de 90 por cento de gasolina e 10 por cento de etanol, um combustível renovável feito principalmente de milho fermentado. Mas para produzir os 14 bilhões de galões de etanol consumidos anualmente pelos motoristas americanos, são necessários milhões de hectares de terras agrícolas.
Uma descoberta recente de cientistas da Universidade de Stanford pode levar a um novo maneira mais sustentável de fazer etanol sem milho ou outras culturas. Esta tecnologia promissora tem três componentes básicos:água, dióxido de carbono e eletricidade fornecidos através de um catalisador de cobre. Os resultados são publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )
“Um dos nossos objetivos de longo prazo é produzir etanol renovável de uma forma que não afete o abastecimento global de alimentos, "disse o investigador principal do estudo, Thomas Jaramillo, professor associado de engenharia química em Stanford e de ciência de fótons no SLAC National Accelerator Laboratory.
Os cientistas gostariam de projetar catalisadores de cobre que convertem seletivamente dióxido de carbono em produtos químicos e combustíveis de alto valor, como etanol e propanol, com poucos ou nenhum subproduto. Mas primeiro eles precisam ter uma compreensão clara de como esses catalisadores realmente funcionam. É aí que entram as descobertas recentes.
Cristais de cobre
Para o PNAS estude, a equipe de Stanford escolheu três amostras de cobre cristalino, conhecido como cobre (100), cobre (111) e cobre (751). Os cientistas usam esses números para descrever a geometria da superfície de cristais únicos.
"Cobre (100), (111) e (751) parecem virtualmente idênticos, mas têm grandes diferenças na maneira como seus átomos estão dispostos na superfície, "disse Christopher Hahn, um cientista associado da equipe do SLAC e co-autor principal do estudo. "A essência do nosso trabalho é entender como essas diferentes facetas do cobre afetam o desempenho eletrocatalítico."
O professor associado Thomas Jaramillo (à esquerda) e o cientista do SLAC Christopher Hahn demonstraram a viabilidade de projetar catalisadores de cobre que convertem dióxido de carbono em etanol sem milho ou outras culturas. Crédito:Mark Shwartz / Stanford University
Em estudos anteriores, os cientistas criaram eletrodos de cobre de cristal único com apenas 1 milímetro quadrado de tamanho.
"Com um cristal tão pequeno, é difícil identificar e quantificar as moléculas que são produzidas na superfície, "Hahn explicou." Isso leva a dificuldades na compreensão das reações químicas, portanto, nosso objetivo era fazer eletrodos de cobre maiores com a qualidade de superfície de um único cristal. "
Para criar amostras maiores, Hahn e seus colegas de trabalho no SLAC desenvolveram uma nova maneira de cultivar cobre semelhante a um cristal único sobre grandes placas de silício e safira.
"O que Chris fez foi incrível, "Disse Jaramillo." Ele fez filmes de cobre (100), (111) e (751) com superfícies de 6 centímetros quadrados. Isso é 600 vezes maior do que os cristais únicos típicos.
Desempenho catalítico
Para comparar o desempenho eletrocatalítico, os pesquisadores colocaram os três eletrodos grandes na água, os expôs ao gás dióxido de carbono e aplicou um potencial para gerar uma corrente elétrica.
Os resultados foram claros. Quando uma voltagem específica foi aplicada, os eletrodos feitos de cobre (751) eram muito mais seletivos para produtos líquidos, como etanol e propanol, do que aqueles feitos de cobre (100) ou (111). A explicação pode estar nas diferentes maneiras como os átomos de cobre estão alinhados nas três superfícies.
Os cientistas de Stanford desenvolveram um catalisador de cobre que produz etanol a partir do dióxido de carbono e da água. Crédito:Mark Shwartz / Stanford University
"Em cobre (100) e (111), os átomos da superfície são compactados juntos, como uma grade quadrada e um favo de mel, respectivamente "disse Hahn." Como resultado, cada átomo está ligado a muitos outros átomos ao seu redor, e isso tende a tornar a superfície mais inerte. "
Mas em cobre (751), os átomos da superfície estão mais separados.
"Um átomo de cobre (751) tem apenas dois vizinhos mais próximos, "Hahn disse." Mas um átomo que não está ligado a outros átomos é bastante infeliz, e isso o faz querer se ligar mais fortemente aos reagentes de entrada, como o dióxido de carbono. Acreditamos que este é um dos principais fatores que levam a uma melhor seletividade para produtos de maior valor, como etanol e propanol. "
Em última análise, a equipe de Stanford gostaria de desenvolver uma tecnologia capaz de produzir seletivamente combustíveis e produtos químicos neutros em carbono em escala industrial.
"O objetivo do prêmio é criar melhores catalisadores que tenham potencial de mudança de jogo, tomando o dióxido de carbono como matéria-prima e convertendo-o em produtos muito mais valiosos usando eletricidade renovável ou luz solar diretamente, "Jaramillo disse." Pretendemos usar este método em níquel e outros metais para entender melhor a química na superfície. Achamos que este estudo é uma peça importante do quebra-cabeça e abrirá novos caminhos de pesquisa para a comunidade. "
Jaramillo também atua como vice-diretor do Centro SUNCAT para Ciência de Interface e Catálise, uma parceria da Stanford School of Engineering e SLAC.
O estudo também foi escrito pelo co-autor principal Toru Hatsukade, Drew Higgins e Stephanie Nitopi em Stanford; Youn-Geun Kim no SLAC; e Jack Baricuatro e Manuel Soriaga no California Institute of Technology.
