Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) desenvolveram um novo eletrocatalisador que pode converter dióxido de carbono diretamente em combustíveis multicarbonos e álcoois usando entradas de energia recordes. O trabalho é o mais recente em uma rodada de estudos do Berkeley Lab que aborda o desafio de criar um sistema de fabricação de produtos químicos limpos que possa fazer um bom uso do dióxido de carbono.

No novo estudo, publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ), uma equipe liderada pelo cientista Peidong Yang do Berkeley Lab descobriu que um eletrocatalisador feito de nanopartículas de cobre fornecia as condições necessárias para quebrar o dióxido de carbono para formar etileno, etanol, e propanol.

Todos esses produtos contêm dois a três átomos de carbono, e todos são considerados produtos de alto valor na vida moderna. O etileno é o ingrediente básico usado para fazer filmes plásticos e garrafas, bem como tubos de cloreto de polivinila (PVC). Etanol, comumente feito de biomassa, já se consolidou como aditivo de biocombustível para gasolina. Embora o propanol seja um combustível muito eficaz, atualmente é muito caro fabricar para ser usado para esse propósito.

Para medir a eficiência energética do catalisador, os cientistas consideram o potencial termodinâmico dos produtos - a quantidade de energia que pode ser obtida em uma reação eletroquímica - e a quantidade de voltagem extra necessária acima desse potencial termodinâmico para conduzir a reação em taxas de reação suficientes. Essa tensão extra é chamada de sobrepotencial; quanto menor o superpotencial, mais eficiente é o catalisador.

“Agora é bastante comum neste campo fazer catalisadores que podem produzir produtos multicarbono a partir de CO2, mas esses processos normalmente operam em sobrepotenciais elevados de 1 volt para atingir quantidades apreciáveis, "disse Yang, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. "O que estamos relatando aqui é muito mais desafiador. Descobrimos um catalisador para redução de dióxido de carbono operando em alta densidade de corrente com um overpotential baixo recorde que é cerca de 300 milivolts menos do que eletrocatalisadores típicos."

Cobre em forma de cubo

Os pesquisadores caracterizaram o eletrocatalisador da Molecular Foundry do Berkeley Lab usando uma combinação de espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, microscopia eletrônica de transmissão, e microscopia eletrônica de varredura.

O catalisador consistia em esferas de cobre compactadas, cada um com cerca de 7 nanômetros de diâmetro, em camadas sobre papel carbono de forma densamente compactada. Os pesquisadores descobriram que durante o período inicial de eletrólise, aglomerados de nanopartículas fundidos e transformados em nanoestruturas semelhantes a cubos. As formas em forma de cubo variavam em tamanho de 10 a 40 nanômetros.

“É depois dessa transição que estão ocorrendo as reações de formação de produtos multicarbonos, "disse o autor do estudo, Dohyung Kim, um estudante de graduação na Divisão de Ciências Químicas do Berkeley Lab e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley. "Tentamos começar com cubos de cobre em nanoescala pré-formados, mas isso não rendeu quantidades significativas de produtos multicarbono. É essa mudança estrutural em tempo real das nanoesferas de cobre para as estruturas em forma de cubo que está facilitando a formação de hidrocarbonetos multicarbonos e oxigenados. "

Exatamente como isso está acontecendo ainda não está claro, disse Yang, que também é professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley.

"O que sabemos é que esta estrutura única fornece um ambiente químico benéfico para a conversão de CO2 em produtos multicarbonos, "disse ele." As formas em forma de cubo e a interface associada podem fornecer um ponto de encontro ideal onde o dióxido de carbono, agua, e os elétrons podem se juntar. "

Muitos caminhos na jornada de CO2 para combustível

Este último estudo exemplifica como a redução do dióxido de carbono se tornou uma área cada vez mais ativa na pesquisa de energia nos últimos anos. Em vez de aproveitar a energia do sol para converter dióxido de carbono em alimentos vegetais, a fotossíntese artificial busca usar os mesmos ingredientes iniciais para produzir precursores químicos comumente usados ​​em produtos sintéticos, bem como em combustíveis como o etanol.

Pesquisadores do Berkeley Lab assumiram vários aspectos desse desafio, como controlar o produto que sai das reações catalíticas. Por exemplo, em 2016, um sistema híbrido semicondutor-bactéria foi desenvolvido para a produção de acetato a partir de CO2 e luz solar. No início deste ano, outra equipe de pesquisa usou um fotocatalisador para converter dióxido de carbono quase exclusivamente em monóxido de carbono. Mais recentemente, um novo catalisador foi relatado para a produção eficaz de misturas de gases de síntese, ou gás de síntese.

Os pesquisadores também trabalharam para aumentar a eficiência energética da redução do dióxido de carbono para que os sistemas possam ser ampliados para uso industrial.

Um artigo recente liderado por pesquisadores do Berkeley Lab no Joint Center for Artificial Photosynthesis aproveita a ciência fundamental para mostrar como a otimização de cada componente de um sistema inteiro pode atingir a meta de produção de combustível movida a energia solar com taxas impressionantes de eficiência energética.

Esta nova PNAS estudo se concentra na eficiência do catalisador, em vez de um sistema inteiro, mas os pesquisadores apontam que o catalisador pode ser conectado a uma variedade de fontes de energia renováveis, incluindo células solares.

“Ao utilizar valores já estabelecidos para outros componentes, como células solares comerciais e eletrolisadores, projetamos eficiências de energia da eletricidade ao produto e da energia solar ao produto de até 24,1 e 4,3 por cento para dois a três produtos de carbono, respectivamente, "disse Kim.

Kim estima que se este catalisador fosse incorporado a um eletrolisador como parte de um sistema de combustível solar, um material de apenas 10 centímetros quadrados poderia produzir cerca de 1,3 gramas de etileno, 0,8 gramas de etanol, e 0,2 gramas de propanol por dia.

"Com melhorias contínuas em componentes individuais de um sistema de combustível solar, esses números devem continuar melhorando com o tempo, " ele disse.