Novo catalisador transforma o dióxido de carbono das emissões industriais em produtos químicos comumente usados
Crédito:Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12722 Um catalisador de baixo custo à base de estanho pode converter seletivamente o dióxido de carbono em três produtos químicos amplamente produzidos – etanol, ácido acético e ácido fórmico.
Escondido nas emissões de muitas operações industriais está um recurso inexplorado:o dióxido de carbono (CO2 ). Contribuindo para os gases com efeito de estufa e para o aquecimento global, poderia, em vez disso, ser capturado e convertido em produtos químicos de valor acrescentado.
Em um projeto colaborativo envolvendo o Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a Northern Illinois University e a Valparaiso University, os cientistas relatam uma família de catalisadores que converte eficientemente CO2 em etanol, ácido acético ou ácido fórmico. Esses produtos químicos estão entre os mais produzidos nos EUA e são encontrados em muitos produtos comerciais. Por exemplo, o etanol é um ingrediente chave em numerosos produtos domésticos e um aditivo para quase toda a gasolina dos EUA.
O trabalho foi publicado no Journal of the American Chemical Society .
Os catalisadores são baseados em estanho metálico depositado sobre um suporte de carbono. "Se totalmente desenvolvidos, nossos catalisadores poderão converter o CO2 produzidos em várias fontes industriais até produtos químicos valiosos", disse Di-Jia Liu. "Essas fontes incluem usinas de energia de combustíveis fósseis e instalações de biofermentação e tratamento de resíduos." Liu é químico sênior em Argonne e cientista sênior na Escola Pritzker de Engenharia Molecular na Universidade de Chicago.
O método utilizado pela equipe é chamado de conversão eletrocatalítica, o que significa que CO2 a conversão através de um catalisador é impulsionada pela eletricidade. Variando o tamanho do estanho usado, de átomos únicos a aglomerados ultrapequenos e também a nanocristalitos maiores, a equipe poderia controlar o CO2 conversão em ácido acético, etanol e ácido fórmico, respectivamente. A seletividade para cada um desses produtos químicos foi de 90% ou superior. "Nossa descoberta de uma mudança no caminho da reação pelo tamanho do catalisador não tem precedentes", disse Liu.
Estudos computacionais e experimentais revelaram vários insights sobre os mecanismos de reação que formam os três hidrocarbonetos. Uma descoberta importante foi que o caminho da reação muda completamente quando a água comum usada na conversão é trocada por água deuterada (o deutério é um isótopo do hidrogênio). Este fenômeno é conhecido como efeito isotópico cinético. Nunca foi observado anteriormente em CO2 conversão.
Esta pesquisa se beneficiou de duas instalações de usuários do DOE Office of Science em Argonne - a Advanced Photon Source (APS) e o Center for Nanoscale Materials (CNM).
"Usando os feixes de raios X disponíveis na APS, capturamos as estruturas químicas e eletrônicas dos catalisadores à base de estanho com diferentes cargas de estanho", disse Chengjun Sun, físico de Argonne. Além disso, a alta resolução espacial possível com um microscópio eletrônico de transmissão no CNM fotografou diretamente o arranjo dos átomos de estanho, desde átomos únicos até pequenos aglomerados, com as diferentes cargas de catalisador.
De acordo com Liu, “Nosso objetivo final é usar a eletricidade gerada localmente a partir da energia eólica e solar para produzir os produtos químicos desejados para consumo local”.
Isso exigiria a integração dos catalisadores recém-descobertos em um eletrolisador de baixa temperatura para realizar a análise de CO2 conversão com eletricidade fornecida por energia renovável. Eletrolisadores de baixa temperatura podem operar próximo à temperatura e pressão ambiente. Isto permite iniciar e parar rapidamente para acomodar o fornecimento intermitente de energia renovável. É uma tecnologia ideal para atender a esse propósito.
"Se pudermos produzir seletivamente apenas os produtos químicos necessários perto do local, poderemos ajudar a reduzir o CO2 custos de transporte e armazenamento", observou Liu. "Seria realmente uma situação ganha-ganha para os adotantes locais de nossa tecnologia."
Nota de correção (24/05/2024):Este artigo referia-se anteriormente ao etanol, ácido acético e ácido fórmico como "hidrocarbonetos líquidos"; no entanto, não são hidrocarbonetos, pois contêm átomos de oxigênio em suas moléculas.
