Modelo ball-and-stick de dióxido de carbono. Crédito:Wikipedia
Imagine um dia em que - em vez de serem lançados na atmosfera - os gases provenientes de usinas de energia e indústria pesada sejam capturados e alimentados em reatores catalíticos que transformam quimicamente os gases do efeito estufa, como o dióxido de carbono, em combustíveis industriais ou produtos químicos e que emitem apenas oxigênio.
É um futuro que, segundo Haotian Wang, pode estar mais perto do que muitos imaginam.
Membro do Rowland Institute em Harvard, Wang e seus colegas desenvolveram um sistema aprimorado para usar eletricidade renovável para reduzir o dióxido de carbono em monóxido de carbono - uma mercadoria-chave usada em vários processos industriais. O sistema é descrito em um artigo de 8 de novembro publicado em Joule , um jornal irmão recém-lançado da Cell press.
"A ideia mais promissora pode ser conectar esses dispositivos a usinas termelétricas a carvão ou outra indústria que produza muito CO 2 , "Disse Wang." Cerca de 20 por cento desses gases são CO 2 , então, se você pode bombeá-los para esta célula ... e combiná-la com eletricidade limpa, então, podemos potencialmente produzir produtos químicos úteis a partir desses resíduos de uma forma sustentável, e até mesmo fechar parte desse CO 2 ciclo."
O novo sistema, Wang disse, representa um passo dramático em relação ao que ele e seus colegas descreveram pela primeira vez em um artigo de 2017 na Chem.
Onde aquele sistema antigo mal tinha o tamanho de um telefone celular e contava com duas câmaras cheias de eletrólitos, cada um dos quais segurava um eletrodo, o novo sistema é mais barato e depende de altas concentrações de CO 2 gás e vapor de água para operar com mais eficiência - apenas uma célula de 10 por 10 centímetros, Wang disse, pode produzir até quatro litros de CO por hora.
O novo sistema, Wang disse, aborda os dois principais desafios - custo e escalabilidade - que foram vistos como uma limitação da abordagem inicial.
"Naquele trabalho anterior, descobrimos os catalisadores de átomo de níquel que são muito seletivos para reduzir o CO 2 para CO ... mas um dos desafios que enfrentamos foi que os materiais eram caros para sintetizar, "Disse Wang." O suporte que estávamos usando para ancorar átomos de níquel individuais era baseado no grafeno, o que tornava muito difícil aumentar sua escala se você quisesse produzi-lo em escala de gramas ou mesmo quilogramas para uso prático no futuro. "
Para resolver esse problema, ele disse, sua equipe se voltou para um produto comercial que é milhares de vezes mais barato do que o grafeno como suporte alternativo - negro de fumo.
Usando um processo semelhante à atração eletrostática, Wang e colegas são capazes de absorver átomos de níquel únicos (carregados positivamente) em defeitos (carregados negativamente) em nanopartículas de negro de fumo, com o material resultante sendo de baixo custo e altamente seletivo para CO 2 redução.
"Agora mesmo, o melhor que podemos produzir é gramas, mas anteriormente só podíamos produzir miligramas por lote, "Disse Wang." Mas isso é limitado apenas pelo equipamento de síntese que temos; se você tivesse um tanque maior, você poderia fazer quilogramas ou mesmo toneladas desse catalisador. "
O outro desafio que Wang e seus colegas tiveram que superar estava relacionado ao fato de que o sistema original só funcionava em uma solução líquida.
O sistema inicial funcionou usando um eletrodo em uma câmara para dividir as moléculas de água em oxigênio e prótons. À medida que o oxigênio borbulhava, prótons conduzidos através da solução líquida se moveriam para a segunda câmara, onde - com a ajuda do catalisador de níquel - eles se ligariam ao CO 2 e quebrar a molécula, deixando CO e água. Essa água poderia então ser alimentada de volta para a primeira câmara, onde seria novamente dividido, e o processo começaria novamente.
"O problema era que, o CO 2 podemos reduzir nesse sistema são apenas aqueles dissolvidos na água; a maioria das moléculas que cercam o catalisador eram água, "disse ele." Havia apenas vestígios de CO 2 , por isso foi bastante ineficiente. "
Embora possa ser tentador simplesmente aumentar a voltagem aplicada no catalisador para aumentar a taxa de reação, que pode ter a consequência não intencional de dividir a água, não reduzindo CO 2 , Disse Wang.
"Se você esgotar o CO 2 que fica perto do eletrodo, outras moléculas têm que se difundir para o eletrodo, e isso leva tempo, "Disse Wang." Mas se você está aumentando a voltagem, é mais provável que a água circundante aproveite a oportunidade para reagir e se dividir em hidrogênio e oxigênio. "
A solução provou ser relativamente simples - para evitar a divisão da água, a equipe tirou o catalisador da solução.
"Substituímos a água líquida por vapor d'água, e alimentação em alta concentração de CO 2 gás, "disse ele." Então, se o sistema antigo tivesse mais de 99 por cento de água e menos de 1 por cento de CO 2 , agora podemos reverter completamente isso, e bombear 97 por cento de CO 2 gás e apenas 3 por cento de vapor de água neste sistema. Antes disso, a água líquida também funciona como condutores de íons no sistema, e agora usamos membranas de troca iônica para ajudar os íons a se moverem sem água líquida.
"O impacto é que podemos entregar uma densidade de corrente ordem de magnitude maior, "ele continuou." Anteriormente, estávamos operando a cerca de dez miliamperes por centímetro quadrado, mas hoje podemos facilmente aumentar para 100 miliamperes. "
Daqui para frente, Wang disse, o sistema ainda tem desafios a superar - principalmente relacionados à estabilidade.
"Se você quiser usar isso para causar um impacto econômico ou ambiental, precisa ter uma operação contínua de milhares de horas, "ele disse." Agora mesmo, podemos fazer isso por dezenas de horas, então ainda há uma grande lacuna, mas acredito que esses problemas podem ser resolvidos com uma análise mais detalhada tanto do CO 2 catalisador de redução e o catalisador de oxidação de água. "
Em última análise, Wang disse, pode chegar o dia em que a indústria será capaz de capturar o CO 2 que agora é lançado na atmosfera e o transforma em produtos úteis.
"O monóxido de carbono não é um produto químico de valor particularmente alto, "Disse Wang." Para explorar mais possibilidades, meu grupo também desenvolveu vários catalisadores à base de cobre que podem reduzir ainda mais o CO 2 em produtos que são muito mais valiosos. "
Wang creditou a liberdade de que gozava no Rowland Institute por ajudar a levar a avanços como o novo sistema.
"Rowland me forneceu, como um pesquisador em início de carreira, uma ótima plataforma para pesquisa independente, que inicia uma grande parte das direções de pesquisa que meu grupo continuará a impulsionar, "disse Wang, que recentemente aceitou um cargo na Rice University. "Eu definitivamente sentirei falta dos meus dias aqui."
