Encontrar maneiras de capturar, armazenar e usar dióxido de carbono (CO₂ ) continua a ser um problema global urgente. À medida que as temperaturas continuam a subir, mantendo o CO₂ de entrar na atmosfera pode ajudar a limitar o aquecimento onde os combustíveis à base de carbono ainda são necessários.



Foram feitos progressos significativos na criação de tecnologias práticas e acessíveis de captura de carbono. Líquidos que capturam carbono, chamados de solventes quando estão presentes em abundância, podem capturar eficientemente CO₂ moléculas de usinas termelétricas a carvão, fábricas de papel e outras fontes de emissão. No entanto, todos estes funcionam através da mesma química fundamental, ou pelo menos foi o que os investigadores presumiram.

Em novo trabalho publicado na Nature Chemistry , os cientistas ficaram surpresos ao descobrir que um solvente familiar é ainda mais promissor do que o inicialmente previsto. Novos detalhes sobre a estrutura subjacente do solvente sugerem que o líquido poderia reter o dobro de CO₂ como se pensava anteriormente. A estrutura recém-revelada também poderia ser a chave para a criação de um conjunto de materiais à base de carbono que poderiam ajudar a manter ainda mais CO₂ fora da atmosfera.

A equipe do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) desenvolveu o solvente há vários anos e o estudou em diversos cenários. A equipe tem trabalhado para reduzir os custos de utilização do solvente e aumentar sua eficiência. No ano passado, revelaram o sistema de captura de carbono menos dispendioso até à data. Foi durante esta pesquisa que a equipe percebeu algo estranho.

“Estávamos tentando fazer um tipo diferente de separação de gases de alta pressão”, disse David Heldebrant, químico do PNNL e co-autor correspondente. "Vimos que a solução ficou significativamente mais espessa e um novo pico apareceu no nosso espectro, indicando que algo novo se tinha formado. Foi totalmente inesperado e sabíamos que tínhamos que chegar ao fundo da questão."

Heldebrant procurou seus colaboradores da Universidade Claude Bernard Lyon 1 e da Universidade do Texas em El Paso para ajudar a desvendar as mudanças moleculares por trás dos resultados.

“Este trabalho é um esforço verdadeiramente interdisciplinar e colaborativo”, disse Jose Leobardo Bañuelos, professor da Universidade do Texas em El Paso. "As perguntas que precisávamos fazer exigiam mais do que apenas um tipo de conhecimento. Observamos a estrutura geral do solvente quando exposto ao CO₂ e vimos substancialmente mais ordem do que esperávamos."

As moléculas, ao que parecia, estavam agrupadas quando deveriam estar emparelhadas. Mas o que significavam as estruturas novas e bem ordenadas?

Causando mudanças por meio de clusters

Quando a equipe deu uma nova olhada no solvente-CO₂ sistema usando ferramentas de química analítica, eles detectaram aglomerados automontados de moléculas de solvente. A princípio, os pesquisadores tentaram ajustar os dados a um modelo utilizando apenas duas moléculas de solvente. Apesar da expectativa inicial, os dados simplesmente não se ajustavam.

Quando os pesquisadores usaram um modelo com quatro moléculas de solvente, os resultados se encaixaram. Um cluster de quatro componentes era na verdade a forma do solvente que a equipe estava vendo. A estrutura flexível pode passar por uma série de mudanças para acomodar a entrada de CO₂ moléculas. O CO₂ eventualmente atinge o núcleo do cluster, que abriga uma bolsa de sítio ativo que pode ser semelhante àquelas que existem dentro das enzimas. Na verdade, a estrutura geral e as interações do cluster parecem assemelhar-se às proteínas.

A bolsa de ligação do sítio ativo está no centro da química recentemente observada. Normalmente, os sistemas de captura de carbono funcionam com um único CO₂ molécula que se liga e pode reagir para formar algo diferente. Tendo tudo restrito a reações envolvendo um CO₂ limita as próximas etapas da conversão de carbono. O cluster permite algo diferente.

O pico inesperado que a equipe encontrou originalmente corresponde à formação de uma nova espécie que inclui duas moléculas diferentes de CO₂ . Os clusters incorporam CO₂ passo a passo, primeiro capturando e ativando uma molécula seguida pela segunda. Os dados mostram um efeito cooperativo – ter uma molécula de CO₂ ligado muda a forma como a segunda molécula se liga.

"Estamos realmente entusiasmados com as novas possibilidades de design de solventes que isso abre", disse Heldebrant. "Se pudermos encontrar maneiras de construir intencionalmente uma cooperatividade que aumente o CO₂ vinculativo, poderíamos mudar a forma como os sistemas de captura de carbono funcionam."

Encontrando nova reatividade

Uma vez que ambos CO₂ moléculas estão dentro do cluster, elas podem reagir umas com as outras, criando diferentes moléculas baseadas em carbono que poderiam expandir os usos potenciais do CO capturado₂ .

“O que estamos fazendo aqui é mudar uma variável importante do processo”, disse Heldebrant. "Historicamente, capturamos cada CO₂ sozinho. Ligando dois CO₂ juntos poderiam nos ajudar a duplicar efetivamente a capacidade de armazenamento dos nossos sistemas de captura."

As moléculas recém-conectadas têm propriedades muito diferentes do CO₂ . Isso altera a química necessária para separar o carbono capturado do solvente. Estes CO₂ moléculas baseadas em CO são maiores e representam um primeiro passo para a criação de CO₂ -polímeros ricos.

Um problema persistente com o carbono capturado é o que fazer com ele. Embora o armazenamento a longo prazo de CO₂ é uma opção, pois apresenta desafios logísticos e pode adicionar custos a um processo de captura já dispendioso. Encontrando maneiras de converter o CO₂ capturado em produtos economicamente valiosos poderia ajudar a compensar os custos de captura e proporcionar um passo em direção a um ciclo fechado de carbono.

Ao juntar dois CO₂ moléculas juntas durante a etapa inicial de captura, este trabalho apresenta uma nova maneira de abordar a conversão e utilização de carbono. Em vez de começar com CO₂ , os pesquisadores poderiam ter diferentes opções para criar novos produtos químicos. Isto abre portas para diferentes tipos de química anteriormente considerados irrealistas para o CO₂ conversão. Estes possíveis próximos passos só serão possíveis se nos concentrarmos na ciência fundamental por detrás da captura de carbono.

“Há muita urgência na implantação de sistemas de captura de carbono”, disse Julien Leclaire, professor da Universidade Claude Bernard Lyon 1 e co-autor correspondente do artigo. "Nem sempre exploramos os detalhes em escala molecular desses processos devido à sua complexidade. Mas às vezes podemos encontrar insights que conectam o comportamento molecular e em grande escala."

Além de Heldebrant, os pesquisadores do PNNL incluem Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo e Jaelynne King. Além de Leclaire, os pesquisadores da Universidade Claude Bernard Lyon 1 incluem Jean Septavaux e Marc Hennenbelle.

Mais informações: Julien Leclaire et al, A automontagem tetramérica de solventes pobres em água permite a química de captura de CO2 à base de anidrido carbamato, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-024-01495-z
Informações do diário: Química da Natureza

Fornecido pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico