Melhorias dramáticas foram feitas no processo de conversão de dióxido de carbono, um gás de efeito estufa, ao metanol, um combustível e um bloco de construção para uma ampla gama de materiais do dia a dia, de acordo com pesquisadores da Penn State.

As concentrações atmosféricas de dióxido de carbono estão aumentando e as mudanças climáticas estão se tornando uma preocupação mundial, exigindo esforços globais para reduzir as emissões de dióxido de carbono. Uma abordagem é usar dióxido de carbono como fonte de carbono nas reações com hidrogênio, onde o hidrogênio é produzido a partir da água usando energia renovável, e a reação sintetiza metanol. Isso ajudará a reduzir as emissões de dióxido de carbono e mitigar a dependência de combustíveis fósseis.

Os pesquisadores avançaram no processo de conversão de dióxido de carbono em metanol, que contém quatro partes de hidrogênio, uma parte de oxigênio e uma parte de carbono, desenvolvendo um novo catalisador que usa uma formulação específica de paládio e cobre. O trabalho teórico e experimental, publicado recentemente em Catálise ACS , é o resultado de anos de pesquisa experimental e computacional integrada conduzida em parceria com a Dalian University of Technology na China em conjunto com o Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research. A pesquisa colaborativa Penn State-Dalian revelou os benefícios de combinar os dois metais como catalisador.

Um fator chave na conversão de dióxido de carbono em metanol é encontrar um bom catalisador para que o metanol possa ser produzido com alta seletividade e uma taxa eficiente. Na faixa de razão atômica de paládio para cobre de 0,3 a 0,4, combinar paládio e cobre rendeu a conversão mais eficiente de metanol de dióxido de carbono usando nanopartículas do catalisador dispersas em um material de suporte poroso que aumentou a área de superfície do catalisador. Com um catalisador do tamanho de uma noz, a área de superfície interna do catalisador cobriria cerca da área de um campo de futebol.

Os pesquisadores descobriram que as novas formulações, usando a razão atômica precisa dos dois metais, aumentou a taxa de formação de metanol em três vezes em relação ao paládio sozinho e em quatro vezes em relação ao cobre sozinho, representando uma melhoria significativa em relação aos métodos anteriores.

Chunshan Song, distinto professor de ciência de combustíveis, professor de engenharia química e diretor de Ciências da Terra e Minerais (EMS) Energia

Instituto, comparou o processo a um gato pegando um rato na superfície de um catalisador. Para que a conversão ocorra, você precisa tanto de dióxido de carbono - o gato - quanto de hidrogênio - o camundongo. Mas você precisa criar as condições ideais para o gato pegar o rato com sucesso. Se o gato não consegue alcançar o rato, ou as condições o retardam, o gato tem menos sucesso.

Isso funciona porque o catalisador combinando dois metais pode não apenas reduzir os requisitos energéticos para acelerar a reação de dióxido de carbono e hidrogênio, mas também altera as vias de reação para produzir o produto mais desejado com maior eficiência energética.

“Estudos convencionais focados no cobre, mas não trazem resultados eficientes, "Song disse." É o mesmo para o paládio. Mas colocar o paládio e o cobre juntos cria uma estrutura de superfície única que mostra uma seletividade especial para a criação de metanol a partir do dióxido de carbono. Este estudo fornece os insights fundamentais sobre os efeitos sinérgicos do uso desses dois metais juntos. "

Para criar metanol, pesquisadores bombearam hidrogênio e dióxido de carbono em uma câmara selada de um vaso de reator embalado com o catalisador e aqueceram o conteúdo entre 356 e 482 graus Fahrenheit. A conversão máxima de dióxido de carbono em metanol é de cerca de 24 por cento, no entanto, o dióxido de carbono e o hidrogênio não convertidos serão reciclados e devolvidos ao navio em um ambiente industrial, muito parecido com o que é feito na síntese convencional de metanol usando monóxido de carbono e hidrogênio.

O processo de hidrogenação de dióxido de carbono funciona decompondo a água para criar um gás hidrogênio usando energia renovável, que então se liga ao dióxido de carbono na superfície do catalisador para criar o metanol. Song disse que, como seu catalisador incentiva a alta seletividade, uma porcentagem maior dos produtos vai para a criação de metanol.

O metanol é usado para criar muitos materiais e combustíveis, de adesivos e sub-pisos de madeira compensada a garrafas de água, camisas resistentes a rugas e combustíveis diesel. É também um produto químico usado na fabricação de anticongelantes, fluido de lavagem de pára-brisa, solventes e outros produtos. Novos catalisadores para converter dióxido de carbono em uma série de produtos químicos úteis industrialmente, combustíveis, e materiais como plásticos estão sendo ativamente desenvolvidos por Song por meio do Penn State-Dalian Joint Center for Energy Research.

Song disse que a criação eficiente de combustíveis e produtos químicos industriais a partir do dióxido de carbono usando energia renovável é considerada o Santo Graal para o combate às mudanças climáticas porque os combustíveis são ainda melhores do que os combustíveis neutros em carbono ou renováveis. O processo essencialmente converte gases de efeito estufa em combustíveis que emitem dióxido de carbono quando queimados. Este processo, quando combinado com a captura de dióxido de carbono do meio ambiente, equivale a reciclar dióxido de carbono em vez de criá-lo ou evitá-lo.

"Nosso sistema de energia atual depende amplamente de energias fósseis baseadas no carbono, "Song disse." Mesmo os combustíveis renováveis, como a biomassa, biogás e resíduos orgânicos, eles são todos baseados em carbono. Mas no futuro, de onde vem o carbono? Se começarmos a usar o carbono do dióxido de carbono, podemos reciclá-lo, criar um ciclo de energia sustentável baseado em carbono, e então estabilizamos a concentração de dióxido de carbono na atmosfera. É por isso que sou apaixonado por isso. "