Pesquisadores de Stanford e SLAC estão trabalhando em maneiras de converter o dióxido de carbono (CO2) em matérias-primas químicas e combustíveis, transformar um potente gás de efeito estufa em produtos valiosos. O processo é chamado de conversão eletroquímica. Quando alimentado por fontes de energia renováveis, poderia reduzir os níveis de dióxido de carbono no ar e armazenar energia dessas fontes intermitentes de uma forma que pode ser usada a qualquer momento. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Uma forma de reduzir o nível de dióxido de carbono na atmosfera, que agora está em seu ponto mais alto em 800, 000 anos, seria capturar o potente gás de efeito estufa das chaminés de fábricas e usinas de energia e usar energia renovável para transformá-lo nas coisas de que precisamos, diz Thomas Jaramillo.
Como diretor do SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, um instituto conjunto da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, ele está em posição de ajudar a fazer isso acontecer.
Um dos principais focos da pesquisa SUNCAT é encontrar maneiras de transformar CO 2 em produtos químicos, combustíveis, e outros produtos, de metanol a plásticos, detergentes e gás natural sintético. A produção desses produtos químicos e materiais a partir de ingredientes de combustíveis fósseis agora é responsável por 10% das emissões globais de carbono; a produção de gasolina, diesel, e o combustível de aviação é responsável por muito, muito mais.
“Já emitimos muito CO 2 , e estamos no caminho certo para continuar a emiti-lo por anos, já que 80% da energia consumida em todo o mundo hoje vem de combustíveis fósseis, "diz Stephanie Nitopi, cuja pesquisa SUNCAT é a base de seu recém-adquirido Ph.D. em Stanford.
"Você poderia capturar CO 2 de chaminés e armazená-lo no subsolo, "ela diz." Essa é uma tecnologia atualmente em jogo. Uma alternativa é usá-lo como matéria-prima para a fabricação de combustíveis, plásticos, e especialidades químicas, o que muda o paradigma financeiro. Resíduos de CO 2 as emissões agora se tornam algo que você pode reciclar em produtos valiosos, fornecendo um novo incentivo para reduzir a quantidade de CO 2 lançado na atmosfera. É uma situação em que todos ganham. "
Perguntamos ao Nitopi, Jaramillo, O cientista da equipe da SUNCAT, Christopher Hahn, e o pesquisador de pós-doutorado Lei Wang, para nos dizer no que estão trabalhando e por que é importante.
P. Primeiro, o básico:como você converte CO 2 para esses outros produtos?
Tom:É essencialmente uma forma de fotossíntese artificial, é por isso que o Joint Center for Artificial Photosynthesis do DOE financia nosso trabalho. As plantas usam energia solar para converter CO 2 do ar para o carbono em seus tecidos. De forma similar, queremos desenvolver tecnologias que usem energia renovável, como solar ou eólica, converter CO 2 de emissões industriais em produtos baseados em carbono.
Chris:Uma maneira de fazer isso é chamada de CO eletroquímico 2 redução, onde você borbulha CO 2 o gás sobe pela água e reage com a água na superfície de um eletrodo à base de cobre. O cobre atua como um catalisador, reunir os ingredientes químicos de uma forma que os estimule a reagir. Simplificando, a reação inicial retira um átomo de oxigênio do CO 2 para formar monóxido de carbono, ou CO, que é um importante produto químico industrial por direito próprio. Em seguida, outras reações eletroquímicas transformam CO em moléculas importantes, como álcoois, combustíveis e outras coisas.
Hoje, esse processo requer um catalisador à base de cobre. É o único conhecido por fazer o trabalho. Mas essas reações podem produzir vários produtos, e separar o que você deseja é caro, portanto, precisamos identificar novos catalisadores que sejam capazes de guiar a reação para fazer apenas o produto desejado.
Como assim?
Lei:Quando se trata de melhorar o desempenho de um catalisador, uma das coisas principais que examinamos é como torná-los mais seletivos, então eles geram apenas um produto e nada mais. Cerca de 90 por cento da fabricação de combustível e produtos químicos depende de catalisadores, e livrar-se de subprodutos indesejados é uma grande parte do custo.
Também analisamos como tornar os catalisadores mais eficientes, aumentando sua área de superfície, portanto, há muito mais lugares em um determinado volume de material onde as reações podem ocorrer simultaneamente. Isso aumenta a taxa de produção.
Recentemente, descobrimos algo surpreendente:quando aumentamos a área de superfície de um catalisador à base de cobre, transformando-o em uma forma de "nanoflora" em flocos, tornou a reação mais eficiente e mais seletiva. Na verdade, não produziu virtualmente nenhum gás hidrogênio subproduto que pudéssemos medir. Portanto, isso poderia oferecer uma maneira de ajustar as reações para torná-las mais seletivas e competitivas em termos de custos.
Stephanie:Isso foi tão surpreendente que decidimos revisitar todas as pesquisas que pudemos encontrar sobre a catalisação de CO eletroquímico 2 conversão com cobre, e as muitas maneiras que as pessoas tentaram entender e ajustar o processo, using both theory and experiments, going back four decades. There's been an explosion of research on this—about 60 papers had been published as of 2006, versus more than 430 out there today—and analyzing all the studies with our collaborators at the Technical University of Denmark took two years.
We were trying to figure out what makes copper special, why it's the only catalyst that can make some of these interesting products, and how we can make it even more efficient and selective—what techniques have actually pushed the needle forward? We also offered our perspectives on promising research directions.
One of our conclusions confirms the results of the earlier study:The copper catalyst's surface area can be used to improve both the selectivity and overall efficiency of reactions. So this is well worth considering as a chemical production strategy.
Does this approach have other benefits?
Tom:Absolutely. If we use clean, renewable energy, like wind or solar, to power the controlled conversion of waste CO 2 to a wide range of other products, this could actually draw down levels of CO 2 na atmosfera, which we will need to do to stave off the worst effects of global climate change.
Chris:And when we use renewable energy to convert CO 2 to fuels, we're storing the variable energy from those renewables in a form that can be used any time. Além disso, with the right catalyst, these reactions could take place at close to room temperature, instead of the high temperatures and pressures often needed today, making them much more energy efficient.
How close are we to making it happen?
Tom:Chris and I explored this question in a recent Perspective article in Ciência , written with researchers from the University of Toronto and TOTAL American Services, which is an oil and gas exploration and production services firm.
We concluded that renewable energy prices would have to fall below 4 cents per kilowatt hour, and systems would need to convert incoming electricity to chemical products with at least 60% efficiency, to make the approach economically competitive with today's methods.
Chris:This switch couldn't happen all at once; the chemical industry is too big and complex for that. So one approach would be to start with making high-value, high-volume products like ethylene, which is used to make alcohols, poliéster, antifreeze, plastics and synthetic rubber. It's a $230 billion global market today. Switching from fossil fuels to CO 2 as a starting ingredient for ethylene in a process powered by renewables could potentially save the equivalent of about 860 million metric tons of CO 2 emissions per year.
The same step-by-step approach applies to sources of CO 2 . Industry could initially use relatively pure CO 2 emissions from cement plants, breweries or distilleries, por exemplo, and this would have the side benefit of decentralizing manufacturing. Every country could provide for itself, develop the technology it needs, and give its people a better quality of life.
Tom:Once you enter certain markets and start scaling up the technology, you can attack other products that are tougher to make competitively today. What this paper concludes is that these new processes have a chance to change the world.
