Um novo catalisador criado por pesquisadores da U of T Engineering os traz um passo mais perto da fotossíntese artificial - um sistema que, assim como as plantas, usaria energia renovável para converter dióxido de carbono (CO2) em energia química armazenada. Ao capturar as emissões de carbono e armazenar energia solar ou eólica, a invenção fornece um golpe duplo na luta contra as mudanças climáticas.

“Captura de carbono e energia renovável são duas tecnologias promissoras, mas existem problemas, "diz Phil De Luna, um dos principais autores de um artigo publicado hoje em Química da Natureza . “A tecnologia de captura de carbono é cara, e as energias solar e eólica são intermitentes. Você pode usar baterias para armazenar energia, mas uma bateria não vai alimentar um avião no Atlântico ou aquecer uma casa durante todo o inverno:para isso, você precisa de combustíveis. "

De Luna e seus co-autores Xueli Zheng e Bo Zhang - que conduziram seu trabalho sob a supervisão do Professor Ted Sargent - pretendem enfrentar os dois desafios ao mesmo tempo, e procuram inspiração na natureza. Eles estão projetando um sistema artificial que imita como as plantas e outros organismos fotossintéticos usam a luz solar para converter CO2 e água em moléculas que os humanos podem usar posteriormente como combustível.

Como nas plantas, seu sistema consiste em duas reações químicas ligadas:uma que divide H2O em prótons e gás oxigênio, e outro que converte CO2 em monóxido de carbono, ou CO. (O CO pode então ser convertido em combustíveis de hidrocarbonetos por meio de um processo industrial estabelecido chamado síntese Fischer-Tropsch.)

"Nos últimos anos, nossa equipe desenvolveu catalisadores de alto desempenho para a primeira e a segunda reação, "diz Zhang, que contribuiu para o trabalho enquanto fazia pós-doutorado na U of T e agora é professor na Fudan University. "Mas embora o segundo catalisador funcione em condições neutras, o primeiro catalisador requer altos níveis de pH para ser mais ativo. "

Isso significa que quando os dois são combinados, o processo geral não é tão eficiente quanto poderia ser, já que a energia é perdida ao mover partículas carregadas entre as duas partes do sistema.

A equipe agora superou esse problema desenvolvendo um novo catalisador para a primeira reação - aquele que divide a água em prótons e gás oxigênio. Ao contrário do catalisador anterior, este funciona em pH neutro, e sob essas condições tem um desempenho melhor do que qualquer outro catalisador relatado anteriormente.

"Tem um baixo potencial excessivo, o que significa que menos energia elétrica é necessária para impulsionar a reação, "diz Zheng, que agora é bolsista de pós-doutorado na Universidade de Stanford. "Além disso, ter um catalisador que pode funcionar no mesmo pH neutro que a reação de conversão de CO2 reduz o potencial geral da célula. "

No papel, a equipe relata a eficiência geral de conversão de energia elétrica em química do sistema em 64 por cento. De acordo com De Luna, este é o maior valor já alcançado por tal sistema, incluindo o anterior, que atingiu apenas 54 por cento.

O novo catalisador é feito de níquel, ferro, cobalto e fósforo, todos os elementos de baixo custo e poucos riscos à segurança. Ele pode ser sintetizado em temperatura ambiente usando equipamento relativamente barato, e a equipe mostrou que permaneceu estável enquanto eles testaram, um total de 100 horas.

Armado com seu catalisador aprimorado, o laboratório Sargent agora está trabalhando para construir seu sistema de fotossíntese artificial em escala piloto. O objetivo é capturar CO2 do gás de combustão - por exemplo, de uma usina de energia a gás natural - e use o sistema catalítico para convertê-lo de forma eficiente em combustíveis líquidos.

"Temos que determinar as condições operacionais corretas:taxa de fluxo, concentração de eletrólito, potencial elétrico, "diz De Luna." Deste ponto em diante, é tudo engenharia. "

A equipe e sua invenção são semifinalistas no NRG COSIA Carbon XPRIZE, um desafio de US $ 20 milhões para "desenvolver tecnologias inovadoras que converterão as emissões de CO das usinas de energia e instalações industriais em produtos valiosos".

O projeto resultou de uma colaboração internacional e multidisciplinar. A fonte de luz canadense em Saskatchewan forneceu os raios-x de alta energia usados ​​para sondar as propriedades eletrônicas do catalisador. A Fundição Molecular do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA fez um trabalho de modelagem teórica. O apoio financeiro e em espécie foi fornecido pelo Conselho de Pesquisa de Ciências Naturais e Engenharia, a Canada Foundation for Innovation, Tianjin University, Universidade Fudan e a Fonte de Luz de Pequim.

Quanto ao que o manteve motivado ao longo do projeto, De Luna aponta para a oportunidade de causar impacto em alguns dos maiores desafios ambientais da sociedade.

"Ver o rápido avanço no campo tem sido extremamente emocionante, ", diz ele." Em todas as conferências semanais ou mensais que temos em nosso laboratório, as pessoas estão quebrando recordes a torto e a direito. Ainda há muito espaço para crescer, mas eu realmente gosto da pesquisa, e as emissões de carbono são tão importantes que qualquer melhoria parece uma realização real. "