Quando Ange Nzihou, especialista na conversão de resíduos da sociedade em produtos valiosos, visitou Princeton em 2022, trouxe consigo uma técnica para transformar resíduos de biomassa em grafeno, um material com muitas utilizações, desde baterias a células solares. Ele sabia que sua abordagem usando um catalisador de ferro não tóxico oferecia vantagens sobre os métodos existentes que dependiam de produtos químicos perigosos, metais preciosos ou combustíveis fósseis.



Havia apenas um problema:Nzihou não sabia exatamente como funcionava o processo.

"No meu trabalho como engenheiro químico, estou frequentemente interessado nas propriedades finais dos materiais e em como eles podem ser aplicados ao mundo real", disse Nzihou, um distinto professor de engenharia química no IMT Mines Albi – CNRS na França, que visitou Princeton através do Programa Fulbright Visiting Scholar. "Mas se quisermos otimizar as propriedades dos materiais que produzimos, temos que entender o que acontece nas escalas nano e atômica para provocar a transformação."

Foi aí que Claire White, professora associada de engenharia civil e ambiental e do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente, entrou para ajudar.

Como anfitriã do corpo docente de Nzihou, White contribuiu com sua experiência na caracterização de materiais em escala nano e atômica para descobrir o mecanismo que permitiu ao ferro ajudar a converter biomassa residual em grafeno.

O resultado não foram apenas dois artigos, o primeiro publicado na ChemSusChem e o outro em Nanomateriais Aplicados , que detalham o mecanismo e a promessa de usar o ferro como catalisador para transformar biomassa residual, como aparas de madeira e outras biomassas ricas em celulose, em materiais de carbono com valor agregado. Foi também uma plataforma de lançamento para a colaboração contínua entre os dois grupos, que combinou a experiência de cada grupo para acrescentar novas dimensões aos seus programas de investigação.

Uma descoberta de proporções em nanoescala

O grafeno, uma folha de carbono puro com apenas um átomo de espessura, é comumente produzido por deposição química de vapor, um processo frequentemente usado na indústria de semicondutores para produzir revestimentos uniformes. No entanto, Nzihou disse que a deposição de vapores químicos muitas vezes depende de produtos químicos perigosos e tecnologias caras. Da mesma forma, ele disse que as alternativas para a produção de grafeno normalmente empregam materiais tóxicos ou de custo proibitivo, bem como o uso de fontes à base de petróleo.

Em busca de uma forma ecologicamente correta de produzir grafeno, Nzihou e White recorreram a fontes subutilizadas de biomassa como matéria-prima para o processo. Infelizmente, a maior parte dessa biomassa é rica em celulose, um polímero abundante encontrado nas paredes celulares das plantas. A celulose tem se mostrado difícil de ser convertida em materiais de carbono altamente ordenados, como o grafeno, sem o uso de catalisadores tóxicos ou de metais de terras raras, devido à estrutura e ao arranjo de suas ligações químicas.

Mas Nzihou descobriu que um catalisador de óxido de ferro poderia resolver o problema. Ao inserir o ferro na biomassa e aquecê-lo em ambiente com oxigênio limitado por meio de um processo conhecido como carbonização, Nzihou demonstrou que era possível transformar biomassa rica em celulose em um material final com extensas regiões de folhas ordenadas de grafeno.

“Ange mostrou que era possível usar o ferro como catalisador”, disse White. "Mas a verdadeira questão era tentar entender como o ferro proporcionava esse comportamento catalítico."

White recorreu à sua experiência em caracterização atômica e em nanoescala para obter a resposta. Usando técnicas como espalhamento total de raios X, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de transmissão e medições magnéticas, os pesquisadores descobriram que, ao longo do processo de aquecimento, o catalisador de óxido de ferro primeiro se decompôs para formar nanopartículas dentro da biomassa. À medida que a biomassa rica em celulose começou a dissolver-se a temperaturas mais elevadas, precipitou-se como camadas de folhas de grafeno na superfície das partículas de ferro.

“Fomos realmente capazes de observar esta camada ordenada de átomos de carbono que se formou em torno dessas nanopartículas de ferro durante o processo”, disse White.

Curiosamente, Nzihou e White descobriram que algumas nanopartículas de ferro maiores suportavam regiões mais extensas de formação de grafeno do que muitas outras mais pequenas, uma pista útil que poderia informar esforços futuros para ampliar o processo de transformação de biomassa residual em grafeno. Os pesquisadores também continuam a refinar o processo para aumentar o tamanho das regiões de grafeno puro e, ao mesmo tempo, reduzir o número de defeitos no material final.

"Agora que entendemos o mecanismo, podemos descobrir como melhorar o processo e otimizar as propriedades das folhas de grafeno em comparação com o método convencional de deposição química de vapor, e até mesmo considerar maneiras de dimensioná-lo em um futuro próximo," Nzihou disse. “Porque, no final das contas, nosso trabalho gira em torno do desenvolvimento de materiais de carbono avançados e ecologicamente corretos, ao mesmo tempo em que fechamos o ciclo de carbono e mitigamos as emissões de dióxido de carbono.”

Uma plataforma de lançamento para colaborações frutíferas

Os investigadores disseram que o projecto lhes permitiu aproveitar a experiência uns dos outros para avançar no campo da utilização sustentável do carbono, e a parceria inicial desde então se encaixou em vários projectos de investigação em curso.

“Tem sido uma colaboração emocionante”, disse White. "Eu nunca me teria visto a trabalhar nestes materiais de carbono sustentáveis, mas estes projetos com Ange proporcionaram uma excelente oportunidade para expandir o meu trabalho e acrescentar novas dimensões à minha investigação."

Para Nzihou, seu tempo como bolsista visitante da Fulbright acabou sendo apenas uma prévia do que está por vir. Ele retornará ao Andlinger Center em março de 2024 como Gerhard R. Andlinger Visiting Fellow para continuar explorando maneiras de transformar fontes subutilizadas de biomassa em materiais avançados de carbono com propriedades específicas para aplicações que vão desde agricultura até armazenamento de energia e CO₂ sequestro.

Com White, ele planeja ampliar o escopo de seu trabalho, unindo a experiência de outros membros do corpo docente de Princeton, como Craig Arnold, Michele Sarazen e Rodney Priestley, para desenvolver uma estratégia para a utilização sustentável de carbono. Ele também pretende colaborar com o Laboratório de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) para explorar o uso de plasmas para alimentar vários processos de produção.

O primeiro artigo, "Síntese e crescimento de grafeno verde de Biochar revelado pelas propriedades magnéticas do catalisador de ferro", foi publicado em novembro de 2022 na ChemSusChem . O segundo artigo, "Nanopartículas de ferro para catalisar a grafitização de celulose para aplicações de armazenamento de energia", foi publicado em fevereiro de 2023 na revista Applied Nano Materials. .

Mais informações: Amel C. Ghogia et al, Síntese e crescimento de grafeno verde a partir de biochar revelado pelas propriedades magnéticas do catalisador de ferro, ChemSusChem (2022). DOI:10.1002/cssc.202201864
Lina M. Romero Millán et al, Nanopartículas de Ferro para Catalisar Grafitização de Celulose para Aplicações de Armazenamento de Energia, ACS Applied Nano Materials (2023). DOI:10.1021/acsanm.2c05312

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