p Sistemas para capturar e converter dióxido de carbono das emissões de usinas de energia podem ser ferramentas importantes para conter as mudanças climáticas, mas a maioria é relativamente ineficiente e cara. Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um método que pode aumentar significativamente o desempenho de sistemas que usam superfícies catalíticas para aumentar as taxas de reações eletroquímicas de sequestro de carbono. p Esses sistemas catalíticos são uma opção atraente para a captura de carbono porque podem produzir, produtos valiosos, como combustíveis para transporte ou matérias-primas químicas. Essa saída pode ajudar a subsidiar o processo, compensando os custos de redução das emissões de gases de efeito estufa.

p Nestes sistemas, normalmente, uma corrente de gás contendo dióxido de carbono passa pela água para liberar dióxido de carbono para a reação eletroquímica. O movimento pela água é lento, o que retarda a taxa de conversão do dióxido de carbono. O novo design garante que o fluxo de dióxido de carbono permaneça concentrado na água ao lado da superfície do catalisador. Esta concentração, os pesquisadores mostraram, pode quase dobrar o desempenho do sistema.

p Os resultados são descritos hoje na revista. Cell Reports Physical Science em um artigo do pós-doutorado do MIT Sami Khan Ph.D. 19, que agora é professor assistente na Simon Fraser University, junto com professores de engenharia mecânica Kripa Varanasi e Yang Shao-Horn do MIT, e recém-formado Jonathan Hwang Ph.D. '19.

p “O sequestro de dióxido de carbono é o desafio de nossos tempos, "Diz Varanasi. Há uma série de abordagens, incluindo sequestro geológico, armazenamento oceânico, mineralização, e conversão química. Quando se trata de tornar útil, produtos vendáveis ​​a partir deste gás de efeito estufa, a conversão eletroquímica é particularmente promissora, mas ainda precisa de melhorias para se tornar economicamente viável. “O objetivo do nosso trabalho era entender qual é o grande gargalo neste processo, e para melhorar ou mitigar esse gargalo, " ele diz.

p O gargalo acabou envolvendo o fornecimento de dióxido de carbono para a superfície catalítica que promove as transformações químicas desejadas, os pesquisadores descobriram. Nestes sistemas eletroquímicos, o fluxo de gases contendo dióxido de carbono é misturado com água, sob pressão ou borbulhando-o através de um recipiente equipado com eletrodos de um material catalisador, como o cobre. Uma tensão é então aplicada para promover reações químicas produzindo compostos de carbono que podem ser transformados em combustíveis ou outros produtos.

p Existem dois desafios em tais sistemas:a reação pode prosseguir tão rápido que consome o suprimento de dióxido de carbono que chega ao catalisador mais rapidamente do que pode ser reposto; e se isso acontecer, uma reação competitiva - a divisão da água em hidrogênio e oxigênio - pode assumir o controle e minar grande parte da energia que está sendo colocada na reação.

p Os esforços anteriores para otimizar essas reações texturizando as superfícies do catalisador para aumentar a área de superfície para as reações não atenderam às expectativas, porque o fornecimento de dióxido de carbono à superfície não conseguiu acompanhar o aumento da taxa de reação, mudando assim para a produção de hidrogênio ao longo do tempo.

p Os pesquisadores resolveram esses problemas por meio do uso de uma superfície de atração de gás colocada bem próxima ao material catalisador. Este material é um "gasfílico especialmente texturizado, "material superhidrofóbico que repele a água, mas permite que uma camada lisa de gás chamada plastrão fique próxima ao longo de sua superfície. Ele mantém o fluxo de entrada de dióxido de carbono diretamente contra o catalisador para que as reações de conversão de dióxido de carbono desejadas possam ser maximizadas. indicadores de pH baseados em corantes, os pesquisadores foram capazes de visualizar gradientes de concentração de dióxido de carbono na célula de teste e mostrar que a concentração aumentada de dióxido de carbono emana do plastrão.

p Em uma série de experimentos de laboratório usando esta configuração, a taxa da reação de conversão de carbono quase dobrou. Também foi sustentado ao longo do tempo, ao passo que em experimentos anteriores a reação desapareceu rapidamente. O sistema produziu altas taxas de etileno, propanol, e etanol - um potencial combustível automotivo. Enquanto isso, a evolução do hidrogênio concorrente foi drasticamente reduzida. Embora o novo trabalho possibilite o ajuste fino do sistema para produzir o mix de produtos desejado, em alguns aplicativos, otimizar a produção de hidrogênio como combustível pode ser o resultado desejado, o que também pode ser feito.

p "A métrica importante é a seletividade, "Khan diz, referindo-se à capacidade de gerar compostos valiosos que serão produzidos por uma determinada mistura de materiais, texturas, e tensões, e ajustar a configuração de acordo com a saída desejada.

p Ao concentrar o dióxido de carbono próximo à superfície do catalisador, o novo sistema também produziu dois novos compostos de carbono potencialmente úteis, acetona, e acetato, que não tinha sido detectado anteriormente em qualquer um desses sistemas eletroquímicos em taxas apreciáveis.

p Neste trabalho inicial de laboratório, uma única faixa do hidrofóbico, material de atração de gás foi colocado ao lado de um único eletrodo de cobre, mas em trabalhos futuros, um dispositivo prático pode ser feito usando um conjunto denso de pares intercalados de placas, Varanasi sugere.

p Em comparação com o trabalho anterior sobre redução eletroquímica de carbono com catalisadores nanoestruturados, Varanasi diz, "nós superamos significativamente todos eles, porque embora seja o mesmo catalisador, é como estamos entregando o dióxido de carbono que muda o jogo. "