Usando um polímero barato chamado melamina – o principal componente da fórmica – os químicos criaram uma maneira barata, fácil e eficiente de capturar dióxido de carbono das chaminés, um objetivo fundamental para os Estados Unidos e outras nações que buscam reduzir as emissões de gases de efeito estufa. .
O processo de síntese do material melamínico, publicado esta semana na revista Science Advances , poderia potencialmente ser reduzido para capturar emissões de escapamento de veículos ou outras fontes móveis de dióxido de carbono. O dióxido de carbono da queima de combustíveis fósseis representa cerca de 75% de todos os gases de efeito estufa produzidos nos EUA.

O novo material é simples de fazer, exigindo principalmente pó de melamina de prateleira – que hoje custa cerca de US$ 40 por tonelada – junto com formaldeído e ácido cianúrico, um produto químico que, entre outros usos, é adicionado com cloro às piscinas.

"Queríamos pensar em um material de captura de carbono que fosse derivado de fontes realmente baratas e fáceis de obter. Então, decidimos começar com a melamina", disse Jeffrey Reimer, professor da Escola de Pós-Graduação do Departamento de Química e Engenharia Biomolecular da Universidade da Califórnia, Berkeley, e um dos autores correspondentes do artigo.

A chamada rede porosa de melamina captura dióxido de carbono com uma eficiência comparável aos primeiros resultados para outro material relativamente recente para captura de carbono, estruturas metálicas orgânicas ou MOFs. Os químicos da UC Berkeley criaram o primeiro MOF de captura de carbono em 2015, e as versões subsequentes se mostraram ainda mais eficientes na remoção de dióxido de carbono de gases de combustão, como os de uma usina a carvão.

Mas Haiyan Mao, bolsista de pós-doutorado da UC Berkeley e primeiro autor do artigo, disse que os materiais à base de melamina usam ingredientes muito mais baratos, são mais fáceis de fazer e são mais eficientes em termos energéticos do que a maioria dos MOFs. O baixo custo da melamina porosa significa que o material pode ser amplamente utilizado.

"Neste estudo, nos concentramos no design de materiais mais baratos para captura e armazenamento e elucidamos o mecanismo de interação entre o CO₂ e o material", disse Mao. "Este trabalho cria um método geral de industrialização para o CO₂ sustentável captura usando redes porosas. Esperamos poder projetar um futuro acessório para capturar gases de escape de carros, ou talvez um acessório para um prédio ou até mesmo um revestimento na superfície dos móveis."

O trabalho é uma colaboração entre um grupo da UC Berkeley liderado por Reimer; um grupo na Universidade de Stanford liderado por Yi Cui, que é diretor do Precourt Institute for Energy, o Somorjai Visiting Miller Professor na UC Berkeley e um ex-bolsista de pós-doutorado da UC Berkeley; Professor da UC Berkeley da Escola de Pós-Graduação Alexander Pines; e um grupo da Texas A&M University liderado por Hong-Cai Zhou. Jing Tang, pós-doutorando em Stanford e no Stanford Linear Accelerator Center e pesquisador visitante na UC Berkeley, é co-primeiro autor com Mao.

Neutralidade de carbono até 2050

Embora a eliminação da queima de combustíveis fósseis seja essencial para deter as mudanças climáticas, uma importante estratégia provisória é capturar as emissões de dióxido de carbono - o principal gás de efeito estufa - e armazenar o gás no subsolo ou transformar CO₂ em produtos utilizáveis. O Departamento de Energia dos EUA já anunciou projetos no total de US$ 3,18 bilhões para impulsionar tecnologias avançadas e comercialmente escaláveis ​​para captura, utilização e sequestro de carbono (CCUS) para alcançar um ambicioso CO₂ meta de eficiência de captura de 90%. O objetivo final dos EUA é zero emissões líquidas de carbono até 2050.

Mas a captura de carbono está longe de ser comercialmente viável. A melhor técnica hoje envolve a tubulação de gases de combustão através de aminas líquidas, que ligam CO₂ . Mas isso requer grandes quantidades de energia para liberar o dióxido de carbono, uma vez ligado às aminas, para que possa ser concentrado e armazenado no subsolo. A mistura de amina deve ser aquecida entre 120 e 150 graus Celsius (250-300 graus Fahrenheit) para regenerar o CO₂ .

Em contraste, a rede porosa de melamina com modificação de DETA e ácido cianúrico captura CO₂ a cerca de 40 graus Celsius, um pouco acima da temperatura ambiente, e a libera a 80 graus Celsius, abaixo do ponto de ebulição da água. A economia de energia vem de não ter que aquecer a substância a altas temperaturas.

Em sua pesquisa, a equipe de Berkeley/Stanford/Texas concentrou-se no polímero comum melamina, que é usado não apenas em fórmica, mas também em louças e utensílios baratos, revestimentos industriais e outros plásticos. O tratamento do pó de melamina com formaldeído - o que os pesquisadores fizeram em quantidades de quilogramas - cria poros em nanoescala na melamina que os pesquisadores pensaram que absorveria CO₂ .

Mao disse que os testes confirmaram que a melamina tratada com formaldeído adsorve CO₂ um pouco, mas a adsorção pode ser muito melhorada pela adição de outro produto químico contendo amina, DETA (dietilenotriamina), para ligar CO₂ . Ela e seus colegas descobriram posteriormente que a adição de ácido cianúrico durante a reação de polimerização aumentou drasticamente o tamanho dos poros e melhorou radicalmente o CO₂ eficiência de captura:Quase todo o dióxido de carbono em uma mistura simulada de gases de combustão foi absorvido em cerca de 3 minutos.

A adição de ácido cianúrico também permitiu que o material fosse usado repetidamente.

Mao e seus colegas realizaram estudos de ressonância magnética nuclear (RMN) em estado sólido para entender como o ácido cianúrico e o DETA interagiam para tornar a captura de carbono tão eficiente. Os estudos mostraram que o ácido cianúrico forma fortes ligações de hidrogênio com a rede de melamina que ajuda a estabilizar o DETA, impedindo-o de lixiviar dos poros da melamina durante ciclos repetidos de captura e regeneração de carbono.

"O que Haiyan e seus colegas conseguiram mostrar com essas técnicas elegantes é exatamente como esses grupos se misturam, exatamente como CO₂ reage com eles, e que na presença desse ácido cianúrico que abre os poros, ela é capaz de ciclar CO₂ liga e desliga muitas vezes com capacidade que é realmente muito boa", disse Reimer. "E a taxa na qual o CO₂ adsorve é realmente bastante rápido, em relação a alguns outros materiais. Então, todos os aspectos práticos em escala laboratorial deste material para CO₂ captura foram cumpridas, e é incrivelmente barato e fácil de fazer."

"Utilizando técnicas de ressonância magnética nuclear de estado sólido, elucidamos sistematicamente em detalhes de nível atômico sem precedentes o mecanismo da reação das redes amorfas com CO₂ ", disse Mao. "Para a energia e comunidade ambiental, este trabalho cria uma família de rede de estado sólido de alto desempenho, juntamente com uma compreensão completa dos mecanismos, mas também incentiva a evolução da pesquisa de materiais porosos de tentativa e erro métodos para modulação racional, passo a passo, em nível atômico."

Os grupos Reimer e Cui continuam a ajustar o tamanho dos poros e os grupos amina para melhorar a eficiência de captura de carbono das redes porosas de melamina, mantendo a eficiência energética. Isso envolve o uso de uma técnica chamada química combinatória dinâmica para variar as proporções dos ingredientes para obter CO₂ eficaz, escalável, reciclável e de alta capacidade capturar.

Reimer e Mao também colaboraram estreitamente com o grupo Cui em Stanford para sintetizar outros tipos de materiais, incluindo membranas nanoporosas hierárquicas - uma classe de nanocompósitos combinados com uma esfera de carbono e óxido de grafeno - e carbonos nanoporosos hierárquicos feitos de madeira de pinho, para adsorver carbono dióxido. Reimer desenvolveu a RMN de estado sólido especificamente para caracterizar o mecanismo pelo qual os materiais sólidos interagem com o dióxido de carbono, a fim de projetar melhores materiais para captura de carbono do meio ambiente e armazenamento de energia. Cui desenvolveu uma plataforma de estado sólido robusta e sustentável e técnicas de fabricação para criar novos materiais para lidar com as mudanças climáticas e o armazenamento de energia. + Explorar mais

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