Os catalisadores aceleram as reações químicas e formam a espinha dorsal de muitos processos industriais. Por exemplo, eles são essenciais para transformar o óleo pesado em gasolina ou combustível de aviação. Hoje, os catalisadores estão envolvidos em mais de 80% de todos os produtos manufaturados.
Uma equipe de pesquisa, liderada pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) em colaboração com a Northern Illinois University, descobriu um novo eletrocatalisador que converte dióxido de carbono (CO2) e água em etanol com eficiência energética muito alta, alta seletividade para o produto final desejado e baixo custo. O etanol é uma mercadoria particularmente desejável porque é um ingrediente em quase toda a gasolina dos EUA e é amplamente utilizado como um produto intermediário nas indústrias química, farmacêutica e cosmética.
“O processo resultante do nosso catalisador contribuiria para a economia circular do carbono, que envolve a reutilização do dióxido de carbono”, disse Di-Jia Liu, químico sênior da divisão de Ciências Químicas e Engenharia de Argonne e cientista CASE da UChicago na Pritzker School of Molecular Engenharia, Universidade de Chicago. Esse processo faria isso convertendo eletroquimicamente o CO2 emitido por processos industriais, como usinas de combustível fóssil ou usinas de fermentação de álcool, em commodities valiosas a um custo razoável.
O catalisador da equipe consiste em cobre atomicamente disperso em um suporte de pó de carbono. Por uma reação eletroquímica, este catalisador quebra as moléculas de CO2 e água e remonta seletivamente as moléculas quebradas em etanol sob um campo elétrico externo. A seletividade eletrocatalítica, ou “eficiência Faradaica”, do processo é superior a 90 por cento, muito maior do que qualquer outro processo relatado. Além disso, o catalisador opera de forma estável em operação prolongada em baixa tensão.
“Com essa pesquisa, descobrimos um novo mecanismo catalítico para converter dióxido de carbono e água em etanol”, disse Tao Xu, professor de físico-química e nanotecnologia da Northern Illinois University. “O mecanismo também deve fornecer uma base para o desenvolvimento de eletrocatalisadores altamente eficientes para a conversão de dióxido de carbono em uma vasta gama de produtos químicos de valor agregado.”
Como o CO2 é uma molécula estável, transformá-lo em uma molécula diferente normalmente consome muita energia e é caro. No entanto, de acordo com Liu, “poderíamos acoplar o processo eletroquímico de conversão de CO2 em etanol usando nosso catalisador para a rede elétrica e aproveitar a eletricidade de baixo custo disponível de fontes renováveis como solar e eólica fora dos horários de pico. ” Como o processo funciona em baixa temperatura e pressão, ele pode iniciar e parar rapidamente em resposta ao fornecimento intermitente de eletricidade renovável.
A pesquisa da equipe se beneficiou de duas instalações do DOE Office of Science User em Argonne – a Advanced Photon Source (APS) e o Center for Nanoscale Materials (CNM) – bem como o Laboratory Computing Resource Center (LCRC) da Argonne. “Graças ao alto fluxo de fótons dos feixes de raios-X no APS, capturamos as mudanças estruturais do catalisador durante a reação eletroquímica ”, disse Tao Li, professor assistente do Departamento de Química e Bioquímica do Northern Illinois Universidade e um cientista assistente na divisão de ciência de raios X de Argonne. Esses dados, juntamente com a microscopia eletrônica de alta resolução no CNM e a modelagem computacional usando o LCRC, revelaram uma transformação reversível de cobre atomicamente disperso em aglomerados de três átomos de cobre cada na aplicação de um A catálise de CO2 para etanol ocorre nesses minúsculos aglomerados de cobre. Essa descoberta está lançando luz sobre maneiras de melhorar ainda mais o catalisador por meio de design racional.
“Preparamos vários novos catalisadores usando essa abordagem e descobrimos que todos eles são altamente eficientes na conversão de CO2 em outros hidrocarbonetos”, disse Liu. “Pretendemos continuar esta pesquisa em colaboração com a indústria para fazer avançar esta tecnologia promissora.”
Publicado em 08/08/2020 11h46
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