Este esquema mostra o eletrolisador desenvolvido na Rice University para reduzir o dióxido de carbono, um gás de efeito estufa, a combustíveis valiosos. À esquerda está um catalisador que seleciona o dióxido de carbono e o reduz a um formato carregado negativamente, que é puxado através de uma camada de difusão de gás (GDL) e da membrana de troca aniônica (AEM) para o eletrólito central. À direita, um catalisador de reação de evolução de oxigênio (OER) gera prótons positivos da água e os envia através da membrana de troca catiônica (CEM). Os íons se recombinam em ácido fórmico ou outros produtos que são transportados para fora do sistema por água desionizada (DI) e gás. Crédito:Chuan Xia e Demin Liu / Rice University
Um gás de efeito estufa comum poderia ser reaproveitado de maneira eficiente e ecologicamente correta com um eletrolisador que usa eletricidade renovável para produzir combustíveis líquidos puros.
O reator catalítico desenvolvido pelo laboratório do engenheiro químico e biomolecular Haotian Wang da Rice University usa dióxido de carbono como matéria-prima e, em seu último protótipo, produz ácido fórmico altamente purificado e em altas concentrações.
O ácido fórmico produzido por dispositivos tradicionais de dióxido de carbono precisa de etapas de purificação caras e que consomem muita energia, Disse Wang. A produção direta de soluções de ácido fórmico puro ajudará a promover tecnologias comerciais de conversão de dióxido de carbono.
O método é detalhado em Nature Energy .
Wang, que ingressou na Brown School of Engineering de Rice em janeiro, e seu grupo buscam tecnologias que transformam gases de efeito estufa em produtos úteis. Em testes, o novo eletrocatalisador atingiu uma eficiência de conversão de energia de cerca de 42%. Isso significa que quase metade da energia elétrica pode ser armazenada em ácido fórmico como combustível líquido.
"O ácido fórmico é um transportador de energia, "Disse Wang." É um combustível de célula combustível que pode gerar eletricidade e emitir dióxido de carbono - que você pode pegar e reciclar novamente.
"Também é fundamental na indústria de engenharia química como matéria-prima para outros produtos químicos, e um material de armazenamento para hidrogênio que pode conter quase 1, 000 vezes a energia do mesmo volume de gás hidrogênio, que é difícil de comprimir, ", disse ele." Esse é atualmente um grande desafio para os carros com célula de combustível a hidrogênio. "
O engenheiro da Universidade Rice, Haotian Wang, ajusta o reator de eletrocatálise construído em seu laboratório para reciclar o dióxido de carbono para produzir combustível líquido. O reator foi projetado para ser uma forma eficiente e lucrativa de reutilizar o gás de efeito estufa e mantê-lo fora da atmosfera. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Dois avanços tornaram o novo dispositivo possível, disse o autor principal e pesquisador de pós-doutorado de Rice, Chuan Xia. O primeiro foi o desenvolvimento de um robusto, catalisador de bismuto bidimensional e o segundo um eletrólito de estado sólido que elimina a necessidade de sal como parte da reação.
"O bismuto é um átomo muito pesado, em comparação com metais de transição como cobre, ferro ou cobalto, "Disse Wang." Sua mobilidade é muito menor, particularmente sob condições de reação. Isso estabiliza o catalisador. "Ele observou que o reator é estruturado para evitar que a água entre em contato com o catalisador, o que também ajuda a preservá-lo.
Xia pode fazer os nanomateriais a granel. "Atualmente, as pessoas produzem catalisadores em escalas de miligramas ou gramas, "disse ele." Desenvolvemos uma maneira de produzi-los na escala de quilogramas. Isso tornará nosso processo mais fácil de expandir para a indústria. "
O eletrólito sólido à base de polímero é revestido com ligantes de ácido sulfônico para conduzir carga positiva ou grupos funcionais amino para conduzir íons negativos. "Normalmente as pessoas reduzem o dióxido de carbono em um eletrólito líquido tradicional, como água salgada, "Disse Wang." Você quer que a eletricidade seja conduzida, mas o eletrólito de água pura é muito resistente. Você precisa adicionar sais como cloreto de sódio ou bicarbonato de potássio para que os íons possam se mover livremente na água.
"Mas quando você gera ácido fórmico dessa forma, ele se mistura com os sais, "disse ele." Para a maioria das aplicações, é necessário remover os sais do produto final, o que consome muita energia e custo. Por isso, empregamos eletrólitos sólidos que conduzem prótons e podem ser feitos de polímeros insolúveis ou compostos inorgânicos, eliminando a necessidade de sais. "
Um reator de eletrocatálise construído na Rice University recicla dióxido de carbono para produzir soluções de combustível líquido puro usando eletricidade. Os cientistas por trás da invenção esperam que ela se torne uma maneira eficiente e lucrativa de reutilizar o gás do efeito estufa e mantê-lo fora da atmosfera. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
A taxa na qual a água flui através da câmara de produto determina a concentração da solução. O rendimento lento com a configuração atual produz uma solução que é quase 30% de ácido fórmico por peso, enquanto fluxos mais rápidos permitem que a concentração seja personalizada. Os pesquisadores esperam atingir concentrações mais altas de reatores de próxima geração que aceitam fluxo de gás para liberar vapores de ácido fórmico puro.
O laboratório Rice trabalhou com o Laboratório Nacional de Brookhaven para visualizar o processo em andamento. "Espectroscopia de absorção de raios-X, uma técnica poderosa disponível na linha de luz Inner Shell Spectroscopy (ISS) no Laboratório de Brookhaven National Synchrotron Light Source II, nos permite sondar a estrutura eletrônica dos eletrocatalisadores em operação, isto é, durante o processo químico real, "disse o co-autor Eli Stavitski, cientista-chefe da linha de luz na ISS. "Nesse trabalho, acompanhamos os estados de oxidação do bismuto em diferentes potenciais e fomos capazes de identificar o estado ativo do catalisador durante a redução do dióxido de carbono. "
Com seu reator atual, o laboratório gerou ácido fórmico continuamente por 100 horas com degradação insignificante dos componentes do reator, incluindo os catalisadores em nanoescala. Wang sugeriu que o reator poderia ser facilmente refeito para produzir produtos de alto valor como o ácido acético, combustíveis etanol ou propanol.
"O quadro geral é que a redução do dióxido de carbono é muito importante por seu efeito no aquecimento global, bem como para a síntese química verde, "Disse Wang." Se a eletricidade vier de fontes renováveis como o sol ou o vento, podemos criar um ciclo que transforma o dióxido de carbono em algo importante sem emitir mais. "
