O aquecimento global tem sido atribuído ao aumento acentuado das emissões de gases com efeito de estufa que retêm o calor, em particular o CO₂ emissões. Tecnologia de captura de carbono, como o uso de adsorventes para capturar e armazenar CO₂ do ar ambiente, é uma solução promissora para mitigar as emissões.



Sorventes líquidos são tradicionalmente usados ​​para captura de carbono, mas sofrem com corrosão de equipamentos, alto custo e alta necessidade de energia para regeneração. Para superar essas limitações, materiais sólidos porosos para CO₂ adsorção - na qual CO₂ átomos aderem à superfície do material sólido – estão sendo explorados.

Em sua pesquisa de captura de carbono, o professor associado Wu Ping, da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD), recorreu à mica, um mineral argiloso barato e abundante com diversas aplicações.

A mica forma camadas de silicato de alumina em forma de folha conectadas por cátions de potássio intercalados por meio de ligações iônicas. No entanto, a estrutura complexa torna difícil separar a mica em camadas únicas ou em poucas camadas para formar nanofolhas bidimensionais (2D) que conduzem ao CO₂ capturar. Os métodos desenvolvidos por estudos anteriores também exigiram longos tempos de reação e alto consumo de energia.

Para desenvolver um método eficiente para produzir nanofolhas de mica 2D, Assoc Prof Wu e sua equipe SUTD colaboraram com pesquisadores da Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa (A*STAR). Eles publicaram seu artigo de pesquisa "Síntese eficiente de nanofolhas de mica 2D por técnicas solvotérmicas e assistidas por micro-ondas para CO₂ capturar aplicativos" em Materiais.

"Com base em nossos recentes avanços em mecanoquímica, combinamos de forma inovadora as técnicas de química de microondas e mecanoquímica solvotérmica. Ao aproveitar a energia das microondas e dos processos solvotérmicos, fomos capazes de converter essa energia em energia de deformação dentro de interfaces sólido-líquido-gás, facilitando a síntese de nanofolhas de mica esfoliada (eMica). Essas ações resultam em esfoliação rápida e tempo de reação significativamente reduzido", explicou Assoc Prof Wu.

A equipe de pesquisa combinou mica natural com hidróxido de potássio em um solvente polar dentro de um recipiente de reação fechado. Esta reação foi então aquecida em micro-ondas, transferindo energia para o solvente polar que absorve micro-ondas e os reagentes. Juntamente com a pressão autogerada dentro do recipiente, a mica foi rapidamente esfoliada com um tempo de reação significativamente reduzido. A mica tratada com microondas foi então sonicada para expandir e separar ainda mais as camadas. Após várias rodadas de purificação, a equipe sintetizou nanofolhas de eMica.

Em comparação com a mica a granel, as camadas de nanofolhas eMica são mais uniformes em tamanho lateral e espessura. Além disso, as nanofolhas eMica exibem um arranjo atômico ordenado, indicando sua alta qualidade e defeitos mínimos.

O professor associado Wu e a equipe investigaram em seguida o potencial das nanofolhas para CO₂ aplicativos de captura. Eles descobriram que o CO₂ a capacidade de adsorção das nanofolhas de eMica foi 87% maior que a da mica a granel. Embora outros tipos de materiais de adsorção na literatura tenham demonstrado maior capacidade, as nanofolhas de eMica ainda superaram outros argilominerais que foram modificados para captura de carbono.

O CO₂ superior a capacidade de adsorção das nanofolhas eMica pode ser atribuída a uma alta área superficial específica e à porosidade entre suas camadas expandidas. A área de superfície específica deste material 2D aumentou mais de cinco vezes, de 29,1m ² /g em mica a granel para 171,3m ² /g nas nanofolhas. A porosidade das nanofolhas também foi dramaticamente maior, com o volume dos poros aumentando sete vezes, de 0,145 cc/g em mica a granel para 1,022 cc/g em nanofolhas de eMica.

CO₂ a adsorção também poderia ter sido impulsionada por depósitos de carbonato de potássio (K₂ CO₃ ) nas nanofolhas, que são formadas quando cátions de potássio na mica reagem com água e CO₂ no ar. A equipe apoiou esta hipótese com simulações de computador que demonstraram um K₂ CO₃ monocamada de mica depositada superando tanto a mica a granel quanto uma monocamada de mica em CO₂ adsorção_.

Mecanisticamente, CO₂ é capturado pelas nanofolhas eMica principalmente por meio de adsorção física, formando atrações eletrostáticas mais fracas com a superfície. Isto contrasta com as ligações iônicas mais fortes que se formam quando o CO₂ é quimicamente absorvido na superfície da nanofolha, o que ocorre em menor extensão. Este mecanismo predominante de fisissorção permitiria uma liberação mais fácil de CO₂ dessorção e regeneração das nanofolhas eMica.

A equipe de pesquisa descobriu que as nanofolhas foram capazes de manter forte capacidade de adsorção quando submetidas a testes cíclicos de adsorção/dessorção, demonstrando a recuperabilidade e estabilidade das nanofolhas eMica. O Prof Wu acredita que esta pesquisa será de interesse para o setor de geração de energia, agências ambientais e reguladoras e outros pesquisadores que buscam novos materiais e tecnologias para CO₂ capturar. Além disso, sua pesquisa contribui para os planos de sustentabilidade do SUTD.

"CO₂ a captura é um aspecto importante da mitigação das emissões de gases de efeito estufa, uma área de foco chave para a estratégia de sustentabilidade do SUTD. Nosso trabalho no desenvolvimento de um método de síntese eficiente está alinhado com a ênfase da universidade em operações sustentáveis, bem como em educação e pesquisa sustentáveis”, comentou.

Seguindo em frente, o Assoc Prof Wu pretende desenvolver um método escalável de esfoliação de mica e explorar as aplicações da mica para purificação de água.

"A fabricação escalonável de materiais 2D usando métodos sustentáveis ​​e econômicos poderia ter implicações significativas para a indústria e a sociedade, como a redução das emissões de carbono e a melhoria da eficiência energética. No geral, esperamos que esta pesquisa avance na nossa compreensão dos materiais 2D e do seu potencial aplicações e contribuir para o desenvolvimento de tecnologias sustentáveis ​​e inovadoras", disse ele.

Mais informações: P. Vishakha T. Weerasinghe et al, Síntese Eficiente de Nanofolhas de Mica 2D por Técnicas Solvotérmicas e Assistidas por Microondas para Aplicações de Captura de CO2, Materiais (2023). DOI:10.3390/ma16072921
Fornecido pela Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura