Por décadas, cientistas têm procurado maneiras eficazes de remover o excesso de emissões de dióxido de carbono do ar, e reciclá-los em produtos como combustíveis renováveis. Mas o processo de conversão de dióxido de carbono em produtos químicos úteis é tedioso, caro, e um desperdício e, portanto, não é economicamente ou ambientalmente viável.

Agora, uma descoberta de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e do Centro Conjunto de Fotossíntese Artificial (JCAP) mostra que reciclar dióxido de carbono em produtos químicos e combustíveis valiosos pode ser econômico e eficiente - tudo por meio de um único catalisador de cobre .

O trabalho aparece na edição de 17 de dezembro da revista. Catálise Natural .

Indo para onde está a ação:sites ativos específicos de produtos

Quando você pega um pedaço de cobre, pode ser suave ao toque, mas no nível microscópico, a superfície é realmente acidentada - e essas saliências são o que os cientistas chamam de "locais ativos, "disse Joel Ager, um pesquisador do JCAP que conduziu o estudo. Ager é cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor adjunto do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UC Berkeley.

É nesses locais ativos que ocorre a mágica da eletrocatálise:os elétrons da superfície do cobre interagem com o dióxido de carbono e a água em uma sequência de etapas que os transformam em produtos como o etanol combustível; etileno, o precursor das sacolas plásticas; e propanol, um álcool comumente usado na indústria farmacêutica.

Desde a década de 1980, quando o talento do cobre para converter carbono em vários produtos úteis foi descoberto, sempre foi assumido que seus sites ativos não eram específicos do produto - em outras palavras, você pode usar cobre como um catalisador para fazer etanol, etileno, propanol, ou algum outro produto químico à base de carbono, mas você teria que seguir várias etapas para separar os indesejados, produtos químicos residuais formados durante os estágios intermediários de uma reação química antes de chegar ao seu destino final - o produto químico final.

"O objetivo da química 'verde' ou sustentável é obter o produto que você deseja durante a síntese química, "disse Ager." Você não quer separar as coisas que você não quer dos produtos desejáveis, porque isso é caro e ambientalmente indesejável. E essa despesa e desperdício reduzem a viabilidade econômica dos combustíveis solares baseados em carbono. "

Então, quando Ager e coautor Yanwei Lum, que foi um Ph.D. da UC Berkeley. aluno no laboratório de Ager no momento do estudo, estavam investigando as propriedades catalíticas do cobre para um projeto de combustíveis solares, eles se perguntaram, "E se, como a fotossíntese na natureza, poderíamos usar elétrons de células solares para conduzir locais ativos específicos de um catalisador de cobre para fazer um fluxo de produto puro de um combustível ou produto químico à base de carbono? ”, disse Ager.

Rastreando as origens de um produto químico por meio de seu 'passaporte'

Estudos anteriores mostraram que o cobre "oxidado" ou enferrujado é um excelente catalisador para a produção de etanol, etileno, e propanol. Os pesquisadores teorizaram que, se os locais ativos no cobre fossem realmente específicos do produto, eles poderiam rastrear as origens dos produtos químicos através de isótopos de carbono, "muito parecido com um passaporte com carimbos nos dizendo quais países eles visitaram, "Ager disse.

"Quando pensamos no experimento, pensamos que esta é uma ideia tão inábil, que seria uma loucura tentar, "Ager disse." Mas não podíamos deixar para lá, porque também pensamos que funcionaria, como nossa pesquisa anterior com isótopos nos permitiu descobrir novas vias de reação. "

Então, nos próximos meses, Lum e Ager fizeram uma série de experimentos usando dois isótopos de carbono - carbono-12 e carbono-13 - como "carimbos de passaporte". O dióxido de carbono foi rotulado com carbono-12, e o monóxido de carbono - um intermediário chave na formação de ligações carbono-carbono - foi rotulado com carbono-13. De acordo com sua metodologia, os pesquisadores raciocinaram que a proporção de carbono-13 versus carbono-12 - a "assinatura isotópica" - encontrada em um produto determinaria de quais locais ativos o produto químico se originou.

Depois que Lum fez dezenas de experimentos e usou espectrometria de massa de última geração e espectroscopia de RMN (ressonância magnética nuclear) no JCAP para analisar os resultados, eles descobriram que três dos produtos - etileno, etanol, e propanol - tinham assinaturas isotópicas diferentes, mostrando que eram provenientes de locais diferentes do catalisador. "Esta descoberta motiva trabalhos futuros para isolar e identificar esses diferentes locais, "Lum disse." Colocar esses locais de produtos específicos em um único catalisador pode um dia resultar em uma geração muito eficiente e seletiva de produtos químicos, "Lum disse.

Dias verdes à frente para a fabricação de produtos químicos

A nova metodologia dos pesquisadores - que Ager descreve como "química direta com uma reviravolta ambiental e econômica" - é o que eles esperam que possa ser um novo começo para a fabricação de produtos químicos verdes, onde uma célula solar poderia alimentar elétrons para locais ativos específicos dentro de um catalisador de cobre para otimizar a produção de etanol combustíveis.

“Talvez um dia essa tecnologia possibilite algo como uma refinaria de petróleo, mas alimentado pelo sol, retirando o dióxido de carbono da atmosfera e criando um fluxo de produtos úteis, " ele disse.