Plasma não térmico (NTP) é usado para ativar CO₂ moléculas para hidrogenação em combustíveis alternativos a baixas temperaturas, permitindo também a conversão de eletricidade renovável em energia química. Pesquisadores da Tokyo Tech combinaram métodos experimentais e computacionais para investigar a via de hidrogenação do CO₂ promovido por NTP na superfície de Pd₂ Ga/SiO₂ catalisadores. Os insights mecanísticos de seu estudo podem ajudar a melhorar a eficiência da hidrogenação catalítica de CO₂ e permite que os engenheiros projetem novos catalisadores de conceito.
Mudança climática acelerada pelo excesso de CO₂ emissões tem sido uma grande preocupação nos últimos anos. Para lidar com esse problema, tecnologias que podem não apenas reduzir e remover o excesso de CO₂ emissões, mas também transformá-los em produtos químicos de valor agregado estão sendo desenvolvidos. Um desses métodos é a hidrogenação de CO₂ usando hidrogênio renovável para produzir combustíveis alternativos.

Ao longo dos anos, diferentes estratégias foram desenvolvidas para melhorar o CO₂ hidrogenação na presença de catalisadores metálicos. O mais promissor entre eles é o plasma não térmico (NTP). Promove a hidrogenação de CO₂ além do limite termodinâmico mesmo em baixas temperaturas sem desativar catalisadores metálicos, que são vulneráveis ​​a temperaturas mais altas. Apesar da crescente popularidade desta técnica, as interações entre as espécies ativadas por NTP e os catalisadores metálicos ainda não são bem compreendidas.

Uma equipe de pesquisadores do Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japão, liderada pelo Prof. Tomohiro Nozaki, elaborou um estudo para superar essa lacuna de compreensão. Em sua recente descoberta, publicada no Journal of the American Chemical Society , os pesquisadores revelaram a dinâmica da reação para o CO₂ assistido por NTP hidrogenação na superfície do Pd₂ Ga/SiO₂ catalisadores de liga que levam à formação de formato.

"Mecanismos de reação como a via Eley-Rideal ou E-R foram propostos para explicar a eficiência do CO₂ conversão em temperaturas mais baixas e a energia de ativação para esta reação diminui drasticamente. Além disso, o NTP produz uma grande quantidade de CO₂ ativado por vibração que é a chave para melhorar o CO₂ conversão além do equilíbrio térmico", explica o Prof Nozaki.

A equipe investigou as reações entre o CO ativado por NTP₂ e Pd₂ Ga/SiO₂ catalisadores de liga em um reator de descarga de barreira dielétrica de leito fluidizado (Figura 1 e vídeos) e comparou-os com a catálise térmica convencional. Os resultados revelaram que o CO₂ a conversão em formato foi mais de duas vezes no caso da hidrogenação assistida por NTP quando comparada à conversão térmica. Para estabelecer ainda mais a mecânica da conversão mencionada, os cientistas adotaram a análise espectroscópica in situ e cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT).

The results revealed that the NTP activation gave rise to vibrationally excited CO₂ molecules that directly react with hydrogen atoms adsorbed by the Pd sites on the catalyst via the E-R pathway. One of the O atoms from the reacted species then got adsorbed at the neighboring Ga site resulting in the formation of monodentate-formate or m-HCOO. The DFT calculations also deduced a decomposition pathway for the same m-HCOO species.

This experimental-theoretical study showed that NTP can promote CO₂ hydrogenation to limits those conventional thermal methods can hardly reach. It also provided mechanistic insights into NTP activated CO₂ and catalyst interaction, which can be utilized to develop better catalysts and improve the hydrogenation process. "With our research, we wanted to accelerate the waste to wealth initiative. Capturing CO₂ and using it as feedstock for synthesis of fuels and valuable chemicals will not only help us deal with climate problem but also slow down fossil fuel depletion to some extent," concludes Prof. Nozaki. + Explore further

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