Da esquerda para a direita:Adnan Ozden, Joshua Wicks, e F. Pelayo García de Arquer estão entre os membros da equipe que projetou um eletrolisador que converte CO 2 para produtos valiosos 10 vezes mais rápido do que as versões anteriores. Crédito:U of T Engineering / Daria Perevezentsev
As células de combustível transformam produtos químicos em eletricidade. Agora, uma equipe de engenharia da Universidade de Toronto adaptou a tecnologia das células de combustível para fazer o inverso:aproveitar a eletricidade para fazer produtos químicos valiosos a partir do carbono residual (CO 2 )
"Por décadas, pesquisadores talentosos têm desenvolvido sistemas que convertem eletricidade em hidrogênio e vice-versa, "diz o professor Ted Sargent, um dos autores seniores do artigo publicado em Ciência . "Nossa inovação se baseia nesse legado, mas usando moléculas baseadas em carbono, podemos nos conectar diretamente à infraestrutura de hidrocarbonetos existente. "
Em uma célula de combustível de hidrogênio, hidrogênio e oxigênio se unem na superfície de um catalisador. A reação química libera elétrons, que são capturados por materiais especializados dentro da célula de combustível e bombeados para um circuito.
O oposto de uma célula de combustível é um eletrolisador, que usa eletricidade para conduzir uma reação química. Os autores do artigo são especialistas em projetar eletrolisadores que convertem CO 2 em outras moléculas baseadas em carbono, como etileno. A equipe inclui Ph.D. candidato Adnan Ozden, que é supervisionado pelo professor David Sinton, bem como vários membros da equipe de Sargent, incluindo Ph.D. candidato Joshua Wicks, pós-doutorado F. Pelayo García de Arquer e ex-pós-doutorado Cao-Thang Dinh.
“O eteno é um dos produtos químicos mais amplamente produzidos no mundo, "diz Wicks." É usado para fazer de tudo, desde anticongelante a móveis de jardim. Hoje é derivado de combustíveis fósseis, mas se pudéssemos fazer isso melhorando o CO residual 2 , proporcionaria um novo incentivo econômico para a captura de carbono. "
Os eletrolisadores de hoje ainda não produzem etileno em escala grande o suficiente para competir com o que é derivado de combustíveis fósseis. Parte do desafio reside na natureza única da reação química que transforma o CO 2 em etileno e outras moléculas baseadas em carbono.
"A reação requer três coisas:CO 2 , que é um gás; íons de hidrogênio, que vêm de água líquida; e elétrons, que são transmitidos através de um catalisador de metal, "diz Ozden." Trazendo essas três fases diferentes - especialmente o CO 2 —Conjunto rapidamente é um desafio, e é isso que limitou a taxa de reação. "
Em seu mais recente projeto de eletrolisador, a equipe usou um arranjo exclusivo de materiais para superar os desafios de reunir os reagentes. Os elétrons são entregues usando um catalisador à base de cobre que a equipe havia desenvolvido anteriormente. Mas em vez de uma folha plana de metal, o catalisador no novo eletrolisador está na forma de pequenas partículas embutidas em uma camada de um material conhecido como Nafion.
Nafion é um ionômero - um polímero que pode conduzir partículas carregadas conhecidas como íons. Hoje, é comumente usado em células de combustível, onde seu papel é transportar íons de hidrogênio (H +) carregados positivamente dentro do reator.
No eletrolisador aprimorado, a reação acontece em uma camada fina que combina um catalisador à base de cobre com Nafion, um polímero condutor de íons. O arranjo exclusivo desses materiais fornece uma taxa de reação 10 vezes maior do que os designs anteriores. Crédito:U of T Engineering / Daria Perevezentsev
"Em nossos experimentos, descobrimos que um certo arranjo de Nafion pode facilitar o transporte de gases como o CO 2 , "diz García de Arquer." Nosso projeto permite que os reagentes de gás atinjam a superfície do catalisador com rapidez e distribuição suficientes para aumentar significativamente a taxa de reação. "
Com a reação não mais limitada pela rapidez com que os três reagentes podem se juntar, a equipe foi capaz de transformar CO 2 em etileno e outros produtos 10 vezes mais rápido do que antes. Eles conseguiram isso sem reduzir a eficiência geral do reator, o que significa mais produto por aproximadamente o mesmo custo de capital.
Apesar do avanço, o dispositivo ainda está longe de ser comercialmente viável. Um dos principais desafios restantes tem a ver com a estabilidade do catalisador sob as novas densidades de corrente mais alta.
"Podemos bombear elétrons 10 vezes mais rápido, o que é ótimo, mas só podemos operar o sistema por cerca de dez horas antes que a camada de catalisador se quebre, "diz Dinh." Isso ainda está longe da meta de milhares de horas que seriam necessárias para aplicação industrial. "
Dinh, que agora é professor de engenharia química na Queen's University, está continuando o trabalho procurando novas estratégias para estabilizar a camada de catalisador, tal como modificar ainda mais a estrutura química do Nafion ou adicionar camadas adicionais para protegê-lo.
Os outros membros da equipe planejam trabalhar em diferentes desafios, como otimizar o catalisador para produzir outros produtos comercialmente valiosos além do etileno.
“Escolhemos o etileno como exemplo, mas os princípios aqui podem ser aplicados à síntese de outros produtos químicos valiosos, incluindo etanol ", diz Wicks." Além de seus muitos usos industriais, o etanol também é amplamente utilizado como combustível. "
A capacidade de produzir combustíveis, materiais de construção e outros produtos de forma neutra em carbono é um passo importante para reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis.
"Mesmo se pararmos de usar petróleo para energia, ainda vamos precisar de todas essas moléculas, "diz García de Arquer." Se pudermos produzi-los usando resíduos de CO 2 e energia renovável, podemos ter um grande impacto em termos de descarbonização da nossa economia. "
