O aquecimento global continua a representar uma ameaça para a sociedade humana e os sistemas ecológicos, e o dióxido de carbono é responsável pela maior proporção dos gases com efeito de estufa que dominam o aquecimento climático.



Para combater as alterações climáticas e avançar em direção ao objetivo da neutralidade de carbono, investigadores da Universidade Politécnica de Hong Kong (PolyU) desenvolveram um dióxido de carbono (CO₂) durável, altamente seletivo e energeticamente eficiente. ) sistema de eletrorredução que pode converter CO₂ em etileno para fins industriais para fornecer uma solução eficaz para a redução de CO₂ emissões.

A pesquisa foi publicada na Nature Energy e ganhou uma medalha de ouro na 48ª Exposição Internacional de Invenções de Genebra, na Suíça.

Etileno (C₂ H₄ ) é um dos produtos químicos mais procurados em todo o mundo e é usado principalmente na fabricação de polímeros como o polietileno, que, por sua vez, pode ser usado para fazer plásticos e fibras químicas comumente usadas na vida diária. No entanto, ainda é obtido maioritariamente a partir de fontes petroquímicas e o processo de produção envolve a criação de uma pegada de carbono muito significativa.

Liderada pelo Prof. Daniel Lau, Professor Catedrático de Nanomateriais e Chefe do Departamento de Física Aplicada, a equipe de pesquisa adotou o método de CO eletrocatalítico₂ redução – utilizando eletricidade verde para converter dióxido de carbono em etileno, proporcionando uma alternativa mais ecológica e uma produção estável de etileno.

A equipa de investigação está a trabalhar para promover esta tecnologia emergente para a aproximar da produção em massa, fechando o ciclo do carbono e, em última análise, alcançando a neutralidade carbónica.

A inovação do Prof. Lau é dispensar o eletrólito de metal alcalino e usar água pura como anólito sem metal para evitar a formação de carbonato e deposição de sal. A equipe de pesquisa chama seu projeto de sistema APMA, onde A significa membrana de troca aniônica (AEM), P representa a membrana de troca de prótons (PEM) e MA indica a montagem de membrana resultante.

Quando uma pilha de células sem metais alcalinos contendo APMA e um eletrocatalisador de cobre foi construída, produziu etileno com alta especificidade de 50%. Também foi capaz de operar por mais de 1.000 horas a uma corrente de nível industrial de 10A – um aumento muito significativo na vida útil em relação aos sistemas existentes, o que significa que o sistema pode ser facilmente expandido para uma escala industrial.

Outros testes mostraram que a formação de carbonatos e sais foi suprimida, enquanto não houve perda de CO₂ ou eletrólito. Isto é crucial, uma vez que as células anteriores que utilizavam membranas bipolares em vez de APMA sofriam de perda de electrólito devido à difusão de iões de metais alcalinos do anólito. A formação de hidrogênio em competição com o etileno, outro problema que afetou os sistemas anteriores que utilizavam ambientes catódicos ácidos, também foi minimizada.

Outra característica fundamental do processo é o eletrocatalisador especializado. O cobre é usado para catalisar uma ampla gama de reações na indústria química. No entanto, o catalisador específico utilizado pela equipa de investigação aproveitou algumas características distintivas.

Os milhões de esferas de cobre em escala nanométrica tinham superfícies ricamente texturizadas, com degraus, falhas de empilhamento e limites de grãos. Esses "defeitos" - relativos a uma estrutura metálica ideal - forneceram um ambiente favorável para o prosseguimento da reação.

O professor Lau disse:"Trabalharemos em melhorias adicionais para aumentar a seletividade do produto e buscar oportunidades de colaboração com a indústria. É claro que este projeto de célula APMA sustenta uma transição para a produção verde de etileno e outros produtos químicos valiosos e pode contribuir para reduzindo as emissões de carbono e alcançando o objetivo da neutralidade de carbono."

Mais informações: Xiaojie She et al, Redução eletrocatalítica de CO2 alimentada com água pura para etileno além de 1.000 h de estabilidade a 10 A, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01415-4
Informações do diário: Energia da Natureza

Fornecido pela Universidade Politécnica de Hong Kong