Um elemento químico tão visualmente impressionante que recebeu o nome de uma deusa mostra um nível de reatividade "Cachinhos Dourados" - nem muito nem pouco - que o torna um forte candidato como ferramenta de limpeza de carbono.



O elemento é o vanádio, e pesquisa realizada por cientistas da Oregon State University, publicada na Chemical Science , demonstrou a capacidade das moléculas de peróxido de vanádio de reagir e se ligar ao dióxido de carbono – um passo importante em direção a tecnologias aprimoradas para remoção de dióxido de carbono da atmosfera.

O estudo faz parte de um esforço federal de US$ 24 milhões para desenvolver novos métodos de captura direta de ar, ou DAC, de dióxido de carbono, um gás de efeito estufa produzido pela queima de combustíveis fósseis e que está associado às mudanças climáticas.

Instalações que filtram o carbono do ar começaram a surgir em todo o mundo, mas ainda estão na infância. As tecnologias para a mitigação do dióxido de carbono no ponto de entrada na atmosfera, como nas centrais eléctricas, estão mais desenvolvidas. Ambos os tipos de captura de carbono serão provavelmente necessários se a Terra quiser evitar os piores resultados das alterações climáticas, dizem os cientistas.

Em 2021, May Nyman, do estado de Oregon, professor de química Terence Bradshaw na Faculdade de Ciências, foi escolhido como líder de um dos nove projetos de captura direta de ar financiados pelo Departamento de Energia. Sua equipe está explorando como alguns complexos de metais de transição podem reagir com o ar para remover o dióxido de carbono e convertê-lo em um carbonato metálico, semelhante ao que é encontrado em muitos minerais naturais.

Os metais de transição estão localizados próximos ao centro da tabela periódica e seu nome surge da transição dos elétrons de estados de baixa energia para estados de alta energia e vice-versa, dando origem a cores distintas. Para este estudo, os cientistas desembarcaram no vanádio, batizado em homenagem a Vanadis, o antigo nome nórdico da deusa escandinava do amor, considerada tão bela que suas lágrimas se transformaram em ouro.

Nyman explica que o dióxido de carbono existe na atmosfera a uma densidade de 400 partes por milhão. Isso significa que para cada 1 milhão de moléculas de ar, 400 delas são dióxido de carbono, ou 0,04%.

"Um desafio com a captura direta de ar é encontrar moléculas ou materiais que sejam seletivos o suficiente, ou outras reações com moléculas de ar mais abundantes, como reações com água, superarão a reação com CO₂ ", disse Nyman. "Nossa equipe sintetizou uma série de moléculas que contêm três partes que são importantes na remoção de dióxido de carbono da atmosfera, e elas trabalham juntas."

Uma parte era vanádio, assim chamado devido à gama de belas cores que pode exibir, e outra parte era peróxido, que se ligava ao vanádio. Como uma molécula de peróxido de vanádio tem carga negativa, ela precisava de cátions alcalinos para equilibrar a carga, disse Nyman, e os pesquisadores usaram cátions alcalinos de potássio, rubídio e césio para este estudo.

Ela acrescentou que os colaboradores também tentaram substituir o vanádio por outros metais da mesma vizinhança da tabela periódica.

"Tungstênio, nióbio e tântalo não foram tão eficazes nesta forma química", disse Nyman. "Por outro lado, o molibdênio era tão reativo que às vezes explodia."

Além disso, os cientistas substituíram os álcalis por amônio e tetrametil amônio, o primeiro dos quais é levemente ácido. Esses compostos não reagiram de todo, um enigma que os investigadores ainda estão a tentar compreender.

“E quando removemos o peróxido, novamente, não houve tanta reatividade”, disse Nyman. "Nesse sentido, o peróxido de vanádio é um lindo Cachinho Dourado roxo que fica dourado quando exposto ao ar e se liga a uma molécula de dióxido de carbono."

Ela observa que outra característica valiosa do vanádio é que ele permite uma temperatura de liberação comparativamente baixa de cerca de 200°C para o dióxido de carbono capturado.

“Isso é comparado a quase 700°C quando está ligado ao potássio, lítio ou sódio, outros metais usados ​​para captura de carbono”, disse ela. "Ser capaz de liberar o CO₂ capturado permite a reutilização dos materiais de captura de carbono e, quanto mais baixa for a temperatura necessária para isso, menos energia será necessária e menor será o custo. Existem algumas ideias muito inteligentes sobre a reutilização do carbono capturado já sendo implementadas – por exemplo, canalizar o CO₂ capturado em uma estufa para cultivar plantas."

Outros autores do estado de Oregon no artigo incluíram Tim Zuehlsdorff, professor assistente de química teórica/física, e pesquisador de pós-doutorado Eduard Garrido.

"Também estou muito orgulhoso do trabalho árduo dos alunos de pós-graduação em meu laboratório, Zhiwei Mao e Karlie Bach, e da graduação Taylor Linsday", disse Nyman. "Esta é uma área totalmente nova para o meu laboratório, assim como para Tim Zuehlsdorff, que supervisionou o estudante de doutorado Jacob Hirschi nos estudos computacionais para explicar os mecanismos de reação. Iniciar uma nova área de estudo envolve muitas incógnitas."

Mais informações: Eduard Garrido Ribó et al, Implementing vanadium peroxids as direct air carbon capture materials, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC05381D
Fornecido pela Oregon State University