Dois pesquisadores da Universidade da Flórida Central desenvolveram novos métodos para produzir energia e materiais a partir do nocivo gás de efeito estufa, o metano.



Libra por libra, o impacto comparativo do metano na atmosfera da Terra é 28 vezes maior do que o dióxido de carbono – outro importante gás de efeito estufa – durante um período de 100 anos, de acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos EUA.

Isto ocorre porque o metano é mais eficiente na captura de radiações, apesar de ter uma vida útil mais curta na atmosfera do que o dióxido de carbono.

As principais fontes de emissões de metano incluem energia e indústria, agricultura e aterros sanitários.

As novas inovações da UCF permitem que o metano seja utilizado na produção de energia verde e na criação de materiais de alto desempenho para dispositivos inteligentes, biotecnologia, células solares e muito mais.

As invenções vêm da nanotecnóloga Laurene Tetard e do especialista em catálise Richard Blair, que têm sido colaboradores de pesquisa na UCF nos últimos 10 anos.

Tetard é professor associado e presidente associado do Departamento de Física da UCF e pesquisador do Centro de Tecnologia NanoScience, e Blair é professor pesquisador do Instituto Espacial da Flórida da UCF.

Uma tecnologia melhor e mais limpa para a produção de hidrogênio

A primeira invenção é um método para produzir hidrogênio a partir de hidrocarbonetos, como o metano, sem liberar gás carbônico.

Ao utilizar luz visível – como um laser, lâmpada ou fonte solar – e fotocatalisadores ricos em boro projetados para defeitos, a inovação destaca uma nova funcionalidade de materiais em nanoescala para captura assistida por luz visível e conversão de hidrocarbonetos como o metano. A engenharia de defeitos refere-se à criação de materiais estruturados irregularmente.

A invenção UCF produz hidrogênio livre de contaminantes, como compostos poliaromáticos superiores, dióxido de carbono ou monóxido de carbono, que são comuns em reações realizadas em temperaturas mais altas em catalisadores convencionais.

O desenvolvimento pode potencialmente reduzir o custo dos catalisadores utilizados para a criação de energia, permitir mais conversão fotocatalítica na faixa visível e permitir um uso mais eficiente da energia solar para catálise.

As aplicações de mercado incluem a possível produção em larga escala de hidrogénio em parques solares e a captura e conversão de metano.

“Essa invenção é na verdade dupla”, diz Blair. "Você obtém hidrogênio verde e remove - e não sequestra - metano. Você está processando metano em apenas hidrogênio e carbono puro que pode ser usado para coisas como baterias."

Ele diz que a produção tradicional de hidrogênio utiliza altas temperaturas com metano e água, mas além do hidrogênio, esse processo também gera dióxido de carbono.

“Nosso processo pega um gás de efeito estufa, o metano, e o converte em algo que não é um gás de efeito estufa e em duas coisas que são produtos valiosos, hidrogênio e carbono”, diz Blair. “E removemos o metano do ciclo.”

Ele observou que no Exolith Lab da UCF eles foram capazes de gerar hidrogênio a partir do gás metano usando a luz solar, colocando o sistema em um grande concentrador solar.

Sabendo disso, ele diz que países que não possuem fontes abundantes de energia poderiam usar a invenção, já que tudo o que precisariam seria metano e luz solar.

Além dos sistemas de petróleo e gás natural, o metano existe em aterros sanitários, áreas industriais e agrícolas e locais de tratamento de águas residuais.

Crescimento de nano/microestruturas de carbono livres de contaminantes

Esta tecnologia desenvolvida por Tetard e Blair é um método para produzir estruturas de carbono em nanoescala e microescala com dimensões controladas. Ele usa luz e um fotocatalisador projetado para criar estruturas padronizadas e bem definidas em nanoescala e microescala a partir de inúmeras fontes de carbono. Exemplos incluem metano, etano, propano, propeno e monóxido de carbono.

“É como ter uma impressora 3D de carbono em vez de uma impressora 3D de polímero”, diz Tetard. "Se tivermos uma ferramenta como esta, talvez existam até mesmo alguns projetos de andaimes de carbono que possamos criar e que sejam impossíveis hoje."

Blair diz que o sonho é fabricar materiais de carbono de alto desempenho a partir do metano, o que atualmente não é feito muito bem, diz ele.

“Portanto, esta invenção seria uma forma de fabricar esses materiais a partir do metano de forma sustentável em grande escala industrial”, diz Blair.

As estruturas de carbono produzidas são pequenas, mas bem estruturadas, e podem ser organizadas com precisão, com tamanhos e padrões precisos.

“Agora estamos falando de aplicações de alto custo, talvez para dispositivos médicos ou novos sensores químicos”, diz Blair. “Isso se torna uma plataforma para o desenvolvimento de todos os tipos de produtos. A aplicação é limitada apenas pela imaginação”.

Como o processo de crescimento pode ser ajustado em diferentes comprimentos de onda, os métodos de projeto podem incorporar vários lasers ou iluminação solar.

O laboratório da Tetard, que trabalha em nanoescala, agora tenta reduzir o tamanho.

“Estamos tentando pensar em uma maneira de aprender com o processo e ver como poderíamos fazê-lo funcionar mesmo em escalas menores – controlar a luz em um volume minúsculo”, diz ela.

“Neste momento, o tamanho das estruturas é microescala porque o volume focal de luz que criamos é microescala”, diz ela. "Então, se pudermos controlar a luz em um volume minúsculo, talvez possamos transformar objetos de tamanho nanométrico em nanoestruturas padronizadas mil vezes menores. Isso é algo que estamos pensando em implementar no futuro. E então, se isso se tornar possível, há muitas coisas que podemos fazer com isso."

Uma tecnologia melhor e mais limpa para a produção de carbono

A tecnologia melhor e mais limpa dos pesquisadores para a produção de hidrogênio foi, na verdade, inspirada por um método inovador anterior deles, que produz carbono a partir de nitreto de boro modificado usando luz visível.

Eles descobriram uma nova maneira de produzir carbono e hidrogênio por meio do craqueamento químico de hidrocarbonetos com energia fornecida pelo acoplamento de luz visível com um catalisador sem metal, nitreto de boro projetado com defeito.

Comparado a outros métodos, é melhor porque não requer energia, tempo significativo ou reagentes ou precursores especiais que deixam impurezas.

Tudo o que resta é carbono e alguns vestígios de boro e nitrogênio, nenhum dos quais é tóxico para os seres humanos ou para o meio ambiente.

A tecnologia de transformação fotoquímica presta-se a muitas aplicações, incluindo sensores ou novos componentes para nanoeletrónica, armazenamento de energia, dispositivos quânticos e produção de hidrogénio verde.

Forte colaboração

Como colaboradores de pesquisa de longa data, Tetard e Blair estão familiarizados com o velho ditado:"Se no início você não conseguir, tente, tente novamente."

“Demorou um pouco para obter resultados realmente emocionantes”, diz Tetard. "No início, grande parte da caracterização que tentamos fazer não estava funcionando da maneira que queríamos. Muitas vezes nos sentamos para discutir observações intrigantes."

Mesmo assim, eles seguiram em frente e sua perseverança foi recompensada com suas novas invenções.

“Richard tem um milhão de ideias diferentes sobre como resolver problemas”, diz Tetard. "Então, eventualmente, encontraríamos algo que funcionasse."

Ela e Blair uniram forças logo após se conhecerem em 2013 no departamento de física da UCF. Blair tinha acabado de descobrir propriedades catalíticas no composto químico nitreto de boro que eram "inéditas" e queria publicar a informação e fazer mais pesquisas.

Ele tinha um colaborador para modelagem teórica, Talat Rahman, um ilustre professor Pegasus no Departamento de Física, mas precisava de alguém para ajudar a caracterizar as descobertas.

“No nível de caracterização, não é aí que está meu ponto forte”, diz ele. "Tenho pontos fortes que complementam os pontos fortes de Laurene. Fazia sentido ver se poderíamos fazer algo juntos e se ela poderia acrescentar alguma visão ao que estávamos vendo."

Assim, em colaboração com Rahman e a Fundação Nacional de Ciência dos EUA, eles esperavam obter uma compreensão molecular das propriedades catalíticas do nitreto de boro hexagonal (estruturado em cristal) carregado de defeitos, um catalisador sem metal.

Os catalisadores típicos geralmente consistem em metais, e o nitreto de boro, às vezes chamado de "grafite branco", teve muitos usos industriais devido às suas propriedades escorregadias, mas não para catálise.

“Até que surgimos, esse tipo de nitreto de boro era considerado apenas inerte”, diz Blair. "Talvez um lubrificante, talvez para cosméticos. Mas não tinha nenhum uso químico. Porém, com engenharia de defeitos, a equipe de pesquisa descobriu que o composto tinha grande potencial para produzir carbono e hidrogênio verde, possivelmente em grandes volumes."

A tecnologia que a equipe desenvolveu para produzir carbono a partir de nitreto de boro modificado usando luz visível surgiu inesperadamente.

Blair diz que para analisar a superfície do catalisador, eles o colocariam em um pequeno recipiente, pressurizariam-no com um gás hidrocarboneto, como o propeno, e depois o exporiam à luz laser.

“Cada vez, ele fazia duas coisas frustrantes”, diz ele. "O próprio catalisador emitia luz que obscurecia todos os dados de que precisávamos, e o aluno dizia:'está queimando' e eu diria que isso é impossível. Não há carbono no catalisador."

“E não havia oxigênio”, acrescenta Tetard. Eles ficaram perplexos.

“Se quiséssemos estudar aquele local em chamas, ele precisava ser maior”, diz ela.

Assim que conseguiram produzir uma amostra maior, eles a colocaram no microscópio eletrônico.

“Começamos a ver algumas linhas, mas é um pó solto e bagunçado, por isso não deveria ser encomendado”, disse Tetard. "Mas quando ampliamos um pouco mais, vimos um pouco de carbono e muito carbono, com o pó de nitreto de boro projetado com defeito grudado no topo."

O que era visto como um problema foi, na verdade, um acaso, pois a descoberta permitiria a produção de hidrogénio a baixas temperaturas e a produção de carbono como subproduto, sem libertação de gases com efeito de estufa ou poluentes.

Fornecido pela Universidade da Flórida Central