Se os pesquisadores pudessem encontrar uma maneira de converter quimicamente o dióxido de carbono em combustíveis ou outros produtos, eles poderiam causar um grande impacto nas emissões de gases de efeito estufa. Mas muitos desses processos que pareciam promissores no laboratório não tiveram o desempenho esperado em formatos ampliados que seriam adequados para uso com uma usina de energia ou outras fontes de emissões.
Agora, pesquisadores do MIT identificaram, quantificaram e modelaram uma das principais razões para o baixo desempenho em tais sistemas de conversão. O culpado acaba por ser um esgotamento local do gás dióxido de carbono ao lado dos eletrodos que estão sendo usados ​​para catalisar a conversão. O problema pode ser aliviado, descobriu a equipe, simplesmente pulsando a corrente em intervalos específicos, dando tempo para que o gás volte aos níveis necessários ao lado do eletrodo.

As descobertas, que podem estimular o progresso no desenvolvimento de uma variedade de materiais e projetos para sistemas eletroquímicos de conversão de dióxido de carbono, foram publicadas hoje na revista Langmuir , em um artigo do pós-doutorado do MIT Álvaro Moreno Soto, do estudante de pós-graduação Jack Lake e do professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi.

"A mitigação do dióxido de carbono é, eu acho, um dos desafios importantes do nosso tempo", diz Varanasi. Embora grande parte da pesquisa na área tenha se concentrado na captura e sequestro de carbono, em que o gás é bombeado para algum tipo de reservatório subterrâneo profundo ou convertido em um sólido inerte, como o calcário, outro caminho promissor tem sido a conversão do gás em outro carbono. compostos como metano ou etanol, para serem usados ​​como combustível, ou etileno, que serve como precursor de polímeros úteis.

Existem várias maneiras de fazer tais conversões, incluindo processos eletroquímicos, termocatalíticos, fototérmicos ou fotoquímicos. "Cada um deles tem problemas ou desafios", diz Varanasi. Os processos térmicos exigem temperaturas muito altas e não produzem produtos químicos de valor muito alto, o que também é um desafio para os processos ativados por luz, diz ele. "A eficiência está sempre em jogo, sempre um problema."

A equipe se concentrou nas abordagens eletroquímicas, com o objetivo de obter "produtos com alto teor de C" - compostos que contêm mais átomos de carbono e tendem a ser combustíveis de maior valor devido à sua energia por peso ou volume. Nessas reações, o maior desafio tem sido conter reações concorrentes que podem ocorrer ao mesmo tempo, especialmente a divisão de moléculas de água em oxigênio e hidrogênio.

As reações ocorrem quando uma corrente de eletrólito líquido com o dióxido de carbono dissolvido nele passa sobre uma superfície catalítica metálica que é eletricamente carregada. Mas à medida que o dióxido de carbono é convertido, ele deixa para trás uma região no fluxo de eletrólitos onde foi essencialmente usado, e assim a reação dentro dessa zona esgotada se transforma em divisão da água. Essa reação indesejada consome energia e reduz bastante a eficiência geral do processo de conversão, descobriram os pesquisadores.

"Há vários grupos trabalhando nisso e vários catalisadores disponíveis", diz Varanasi. "Em tudo isso, acho que a co-evolução do hidrogênio se torna um gargalo."

Uma maneira de neutralizar esse esgotamento, eles descobriram, pode ser alcançada por um sistema pulsado – um ciclo de simplesmente desligar a voltagem, interromper a reação e dar tempo ao dióxido de carbono para se espalhar de volta para a zona esgotada e atingir níveis utilizáveis ​​novamente, e em seguida, retomando a reação.

Muitas vezes, dizem os pesquisadores, os grupos encontraram materiais catalisadores promissores, mas não realizaram seus testes de laboratório por tempo suficiente para observar esses efeitos de depleção e, portanto, ficaram frustrados na tentativa de ampliar seus sistemas. Além disso, a concentração de dióxido de carbono próxima ao catalisador determina os produtos que são feitos. Assim, o esgotamento também pode alterar o mix de produtos que são produzidos e pode tornar o processo não confiável. "Se você quer ser capaz de fazer um sistema que funcione em escala industrial, você precisa ser capaz de executar as coisas por um longo período de tempo", diz Varanasi, "e você precisa não ter esses tipos de efeitos que reduzem a eficiência ou confiabilidade do processo."

A equipe estudou três materiais catalisadores diferentes, incluindo cobre, e "realmente nos concentramos em garantir que entendemos e podemos quantificar os efeitos do esgotamento", diz Lake. No processo, eles foram capazes de desenvolver uma maneira simples e confiável de monitorar a eficiência do processo de conversão, medindo as mudanças nos níveis de pH, uma medida de acidez, no eletrólito do sistema.

Em seus testes, eles usaram ferramentas analíticas mais sofisticadas para caracterizar os produtos da reação, incluindo cromatografia gasosa para análise dos produtos gasosos e caracterização por ressonância magnética nuclear para os produtos líquidos do sistema. Mas sua análise mostrou que a simples medição de pH do eletrólito próximo ao eletrodo durante a operação pode fornecer uma medida suficiente da eficiência da reação à medida que ela avança.

Essa capacidade de monitorar facilmente a reação em tempo real pode levar a um sistema otimizado por métodos de aprendizado de máquina, controlando a taxa de produção dos compostos desejados por meio de feedback contínuo, diz Moreno Soto.

Agora que o processo é entendido e quantificado, outras abordagens para mitigar o esgotamento de dióxido de carbono podem ser desenvolvidas, dizem os pesquisadores, e podem ser facilmente testadas usando seus métodos.

Este trabalho mostra, diz Lake, que "não importa qual seja o seu material catalisador" em tal sistema eletrocatalítico, "você será afetado por esse problema". E agora, usando o modelo desenvolvido por eles, é possível determinar exatamente que tipo de janela de tempo precisa ser avaliada para ter uma noção precisa da eficiência geral do material e que tipo de operações do sistema podem maximizar sua eficácia.