Os cientistas que procuram converter o dióxido de carbono em combustíveis limpos e produtos químicos úteis muitas vezes produzem gás hidrogénio e carbonatos como subprodutos indesejados. Um novo artigo da Escola de Engenharia Molecular Pritzker da UChicago encontrou um caminho mais limpo.



O dióxido de carbono é o gás com efeito de estufa, responsável por 78% da alteração no equilíbrio energético da atmosfera terrestre entre 1990 e 2022.

Subproduto da queima de combustíveis fósseis, o dióxido de carbono entra na atmosfera a partir dos escapamentos dos carros e das usinas elétricas movidas a carvão. Mesmo alguns recursos energéticos renováveis ​​produzem uma pequena quantidade de dióxido de carbono, embora numa pequena fracção da quantidade criada pelo carvão e pelo gás natural.

Em sua essência, essa molécula é apenas um arranjo de um átomo de carbono e dois de oxigênio que pode ser reorganizado por meio de um processo chamado redução eletroquímica de dióxido de carbono (CO₂ R) em combustíveis limpos e produtos químicos úteis. Mas o processo muitas vezes é feito com prejuízo, com processos concorrentes puxando os átomos em direções indesejadas que criam subprodutos indesejados.

Em um artigo publicado hoje na Nature Catalysis , pesquisadores do Laboratório Amanchukwu da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago delinearam uma maneira de manipular moléculas de água para produzir CO₂ R mais eficiente, com o objetivo final de criar um ciclo de energia limpa.

Através de seu novo método, a equipe conseguiu realizar CO₂ R com quase 100% de eficiência sob condições levemente ácidas, usando ouro ou zinco como catalisadores.

“Imagine que podemos ter eletricidade verde proveniente da energia solar e eólica e depois usar essa eletricidade para converter qualquer dióxido de carbono novamente em combustíveis”, disse PME Ph.D. candidato Reggie Gomes, primeiro autor do novo artigo.

Competindo com ELA

Desmontar eletroquimicamente uma molécula é como dar uma tacada rápida em um jogo de sinuca. O arranjo anterior desaparece e as bolas se espalham pela mesa, parando em novas combinações – nem sempre aquelas que o jogador pretendia.

Da mesma forma, pesquisadores realizando CO₂ R usar eletricidade e água para decompor e reorganizar os gases nocivos do efeito estufa. Isso envia átomos de carbono e oxigênio do dióxido de carbono pela mesa com átomos de hidrogênio da água.

Se funcionar como pretendido, os átomos formam outras moléculas mais desejáveis ​​que podem ser usadas como combustíveis ou produtos químicos.

Mas à medida que os átomos se dispersam, formam-se frequentemente pares estáveis ​​de dois átomos de hidrogénio, um processo denominado reação de evolução do hidrogénio (HER). Isso faz com que o CO₂ R menos eficiente, pois a energia e os átomos que se transformam em gás hidrogênio não podem fazer parte das moléculas que os cientistas estavam tentando criar.

Mesmo em pequenas quantidades de água, CO₂ R está sempre competindo com ELA.

O Laboratório Amanchukwu – que é mais notável pela sua investigação sobre baterias – aplicou conhecimentos de baterias aquosas ao problema, levantando a hipótese de que controlar a água com solventes orgânicos poderia fornecer uma solução.

Tudo que brilha

Ambos CO₂ R e HER dependem da água como doadora de prótons. Usando solventes orgânicos e aditivos ácidos, a equipe conseguiu ajustar o comportamento da água, encontrando o ponto ideal onde ela doou a quantidade certa de prótons para criar as moléculas pretendidas, e não o gás hidrogênio e outros materiais indesejados como carbonatos.

"Na química geral, aprendemos que o dióxido de carbono reage com o hidróxido para formar carbonato. Isso é indesejável porque esgota a molécula que queremos valorizar, "disse o professor assistente de engenharia molecular da família Neubauer, Chibueze Amanchukwu.

Muitas das maneiras mais eficazes de realizar CO₂ R dependem de metais preciosos.

“Platina, prata, ouro – para fins de pesquisa, são ótimos catalisadores”, disse Gomes. "São materiais muito estáveis. Mas quando se pensa em aplicações industriais, o custo deles se torna proibitivo."

Ao projetar o eletrólito, o novo método pode obter resultados semelhantes usando materiais mais baratos e abundantes.

"No momento, a melhor maneira de fazer isso eletroquimicamente à temperatura ambiente é usar metais preciosos. Ouro e prata podem suprimir um pouco a reação de evolução do hidrogênio", disse Amanchukwu. "Devido à nossa descoberta, agora podemos usar um metal abundante na terra, o zinco, porque agora temos uma forma separada de controlar a água."

Mais informações: Reginaldo J. Gomes et al, Modulando a ligação de hidrogênio da água em um ambiente não aquoso controla sua reatividade em transformações eletroquímicas, Nature Catalysis (2024). DOI:10.1038/s41929-024-01162-z
Informações do diário: Catálise da Natureza

Fornecido pela Universidade de Chicago