Representação artística de um eletrodo à base de níquel como uma bomba de combustível avariada e de um eletrodo à base de cério como um novo, bomba produtiva. Crédito:Cube3D
Se a ideia de voar em jatos comerciais movidos a bateria o deixa nervoso, você pode relaxar um pouco. Os pesquisadores descobriram um ponto de partida prático para converter dióxido de carbono em combustíveis líquidos sustentáveis, incluindo combustíveis para meios de transporte mais pesados que podem ser muito difíceis de eletrificar, como aviões, navios e trens de carga.
Reutilização de CO neutra em carbono 2 surgiu como uma alternativa para enterrar o gás de efeito estufa no subsolo. Em um novo estudo publicado hoje em Nature Energy , pesquisadores da Universidade de Stanford e da Universidade Técnica da Dinamarca (DTU) mostram como a eletricidade e um catalisador abundante na Terra podem converter CO 2 em monóxido de carbono (CO) rico em energia melhor do que os métodos convencionais. O catalisador - óxido de cério - é muito mais resistente à quebra. Retirando oxigênio do CO 2 fazer CO gás é o primeiro passo para transformar CO 2 em quase qualquer combustível líquido e outros produtos, como gás sintético e plásticos. A adição de hidrogênio ao CO pode produzir combustíveis como o diesel sintético e o equivalente ao combustível de aviação. A equipe prevê o uso de energia renovável para fazer o CO e para as conversões subsequentes, o que resultaria em produtos neutros em carbono.
“Mostramos que podemos usar eletricidade para reduzir CO 2 em CO com 100 por cento de seletividade e sem produzir o subproduto indesejado de carbono sólido, "disse William Chueh, professor associado de ciência de materiais e engenharia em Stanford, um dos três autores seniores do artigo.
Chueh, ciente da pesquisa da DTU nesta área, convidou Christopher Graves, professor associado do Departamento de Conversão e Armazenamento de Energia da DTU, e Theis Skafte, um candidato a doutorado DTU na época, para vir para Stanford e trabalhar na tecnologia juntos.
"Estávamos trabalhando em CO de alta temperatura 2 eletrólise por anos, mas a colaboração com Stanford foi a chave para essa descoberta, "disse Skafte, autor principal do estudo, que agora é pesquisador de pós-doutorado na DTU. "Alcançamos algo que não poderíamos ter separadamente - compreensão fundamental e demonstração prática de um material mais robusto."
Barreiras à conversão
Uma vantagem que os combustíveis líquidos sustentáveis podem ter sobre a eletrificação do transporte é que eles podem usar a infraestrutura existente de gasolina e diesel, como motores, oleodutos e postos de gasolina. Adicionalmente, as barreiras para a eletrificação de aviões e navios - viagens de longa distância e o alto peso das baterias - não seriam problemas para alta densidade de energia, combustíveis neutros em carbono.
Da esquerda:Christopher Graves, Michal Bajdich e Michael Machala na frente da máquina de deposição de laser pulsado que Machala usava para fabricar os eletrodos. Crédito:Mark Golden
Embora as plantas reduzam o CO 2 a açúcares ricos em carbono naturalmente, uma rota eletroquímica artificial para o CO ainda não foi amplamente comercializada. Entre os problemas:Dispositivos usam muita eletricidade, converter uma baixa porcentagem de CO 2 moléculas, ou produzir carbono puro que destrói o dispositivo. Os pesquisadores do novo estudo examinaram primeiro como diferentes dispositivos tiveram sucesso e falharam em CO 2 eletrólise.
Com os insights obtidos, os pesquisadores construíram duas células para CO 2 teste de conversão:um com óxido de cério e outro com catalisadores convencionais à base de níquel. O eletrodo de céria permaneceu estável, enquanto os depósitos de carbono danificaram o eletrodo de níquel, encurtando significativamente a vida útil do catalisador.
"Esta capacidade notável da ceria tem implicações importantes para a vida prática do CO 2 dispositivos eletrolisadores, "disse Graves da DTU, um autor sênior do estudo e pesquisador visitante em Stanford na época. "Substituir o eletrodo de níquel atual por nosso novo eletrodo de céria no eletrolisador de próxima geração aumentaria a vida útil do dispositivo."
Caminho para a comercialização
A eliminação da morte celular precoce pode reduzir significativamente o custo da produção comercial de CO. A supressão do acúmulo de carbono também permite que o novo tipo de dispositivo converta mais do CO 2 para CO, que é limitado a bem abaixo da concentração de produto de CO de 50 por cento nas células de hoje. Isso também pode reduzir os custos de produção.
“O mecanismo de supressão de carbono na céria é baseado na captura do carbono na forma oxidada estável. Fomos capazes de explicar esse comportamento com modelos computacionais de CO 2 redução a temperatura elevada, que foi então confirmado com espectroscopia de fotoelétrons de raios-X da célula em operação, "disse Michal Bajdich, autor sênior do artigo e cientista associado da equipe do SUNCAT Center for Interface Science &Catalysis, uma parceria entre o SLAC National Accelerator Laboratory e a Stanford's School of Engineering.
O alto custo de captura de CO 2 tem sido uma barreira para sequestrá-lo no subsolo em grande escala, e que o alto custo pode ser uma barreira para o uso de CO 2 para fazer combustíveis e produtos químicos mais sustentáveis. Contudo, o valor de mercado desses produtos combinado com pagamentos para evitar as emissões de carbono poderia ajudar as tecnologias que usam CO 2 superar a barreira de custo mais rapidamente.
Os pesquisadores esperam que seu trabalho inicial de revelar os mecanismos do CO 2 dispositivos de eletrólise por espectroscopia e modelagem ajudarão outros a ajustar as propriedades da superfície da céria e outros óxidos para melhorar ainda mais o CO 2 eletrólise.
