Os engenheiros químicos do MIT criaram um método eficiente para converter dióxido de carbono em monóxido de carbono, utilizando um processo catalítico ligado ao ADN que poderia reduzir significativamente as emissões de gases com efeito de estufa. Esta inovação oferece um novo caminho para a produção de produtos químicos valiosos a partir do CO2, com potencial para aplicação industrial em larga escala. Crédito: SciTechDaily.com
Um catalisador amarrado por ADN aumenta a eficiência da conversão eletroquímica de CO2 em CO, um alicerce de muitos compostos químicos.
COM engenheiros químicos desenvolveram uma maneira eficiente de converter dióxido de carbono em monóxido de carbono, um precursor químico que pode ser usado para gerar compostos úteis como etanol e outros combustíveis.
Se for ampliado para uso industrial, este processo poderá ajudar a remover o dióxido de carbono das centrais eléctricas e de outras fontes, reduzindo a quantidade de gases com efeito de estufa que são libertados na atmosfera.
Os engenheiros químicos do MIT demonstraram que, ao utilizar ADN para ligar um catalisador (círculos azuis) a um eléctrodo, podem tornar a conversão de dióxido de carbono em monóxido de carbono muito mais eficiente. Crédito: Christine Daniloff, MIT; iStock
Tecnologia revolucionária de descarbonização
“Isso permitiria retirar dióxido de carbono das emissões ou dissolvido no oceano e convertê-lo em produtos químicos lucrativos. É realmente um caminho a seguir para a descarbonização porque podemos levar o CO2que é um gás de efeito estufa, e transformá-lo em coisas úteis para a fabricação de produtos químicos”, diz Ariel Furst, professor assistente de desenvolvimento de carreira de engenharia química da Paul M. Cook e autor sênior do estudo.
A nova abordagem utiliza eletricidade para realizar a conversão química, com a ajuda de um catalisador que é preso à superfície do eletrodo por fios de DNA. Este DNA atua como velcro para manter todos os componentes da reação próximos, tornando a reação muito mais eficiente do que se todos os componentes estivessem flutuando em solução.
Furst fundou uma empresa chamada Helix Carbon para desenvolver ainda mais a tecnologia. O ex-pós-doutorado do MIT Gang Fan é o autor principal do artigo, que aparece no Jornal da Sociedade Química Americana Au. Outros autores incluem Nathan Corbin PhD ’21, Minju Chung PhD ’23, ex-pós-doutorado do MIT Thomas Gill e Amruta Karbelkar e Evan Moore ’23.
Quebrando CO2
A conversão do dióxido de carbono em produtos úteis requer primeiro transformá-lo em monóxido de carbono. Uma maneira de fazer isso é com eletricidade, mas a quantidade de energia necessária para esse tipo de eletrocatálise é proibitivamente cara.
Para tentar reduzir esses custos, os pesquisadores tentaram usar eletrocatalisadores, que podem acelerar a reação e reduzir a quantidade de energia que precisa ser adicionada ao sistema. Um tipo de catalisador usado para esta reação é uma classe de moléculas conhecidas como porfirinas, que contêm metais como ferro ou cobalto e são semelhantes em estrutura às moléculas heme que transportam oxigênio no sangue.
Durante esse tipo de reação eletroquímica, o dióxido de carbono é dissolvido em água dentro de um dispositivo eletroquímico, que contém um eletrodo que aciona a reação. Os catalisadores também estão suspensos na solução. No entanto, esta configuração não é muito eficiente porque o dióxido de carbono e os catalisadores precisam de se encontrar na superfície do eléctrodo, o que não acontece com muita frequência.
Para fazer com que a reação ocorresse com mais frequência, o que aumentaria a eficiência da conversão eletroquímica, Furst começou a trabalhar em formas de fixar os catalisadores à superfície do eletrodo. O DNA parecia ser a escolha ideal para esta aplicação.
“O DNA é relativamente barato, você pode modificá-lo quimicamente e controlar a interação entre duas fitas alterando as sequências”, diz ela. “É como um velcro específico de sequência que possui interações muito fortes, mas reversíveis, que você pode controlar.”
Para anexar cadeias simples de DNA a um eletrodo de carbono, os pesquisadores usaram duas “alças químicas”, uma no DNA e outra no eletrodo. Essas alças podem ser encaixadas, formando uma ligação permanente. Uma sequência de DNA complementar é então anexada ao catalisador de porfirina, de modo que, quando o catalisador for adicionado à solução, ele se ligue reversivelmente ao DNA que já está preso ao eletrodo – assim como o velcro.
Uma vez configurado o sistema, os pesquisadores aplicam um potencial (ou polarização) ao eletrodo, e o catalisador usa essa energia para converter o dióxido de carbono da solução em monóxido de carbono. A reação também gera uma pequena quantidade de gás hidrogênio, a partir da água. Após o desgaste dos catalisadores, eles podem ser liberados da superfície aquecendo o sistema para quebrar as ligações reversíveis entre as duas fitas de DNA e substituídos por novas.
Conversão eletroquímica inovadora
Usando esta abordagem, os investigadores conseguiram aumentar a eficiência Faradaica da reação para 100 por cento, o que significa que toda a energia elétrica que entra no sistema vai diretamente para as reações químicas, sem desperdício de energia. Quando os catalisadores não estão ligados ao DNA, a eficiência Faradaica é de apenas cerca de 40%.
Esta tecnologia poderia ser facilmente ampliada para uso industrial, diz Furst, porque os eletrodos de carbono usados pelos pesquisadores são muito mais baratos do que os eletrodos de metal convencionais. Os catalisadores também são baratos, pois não contêm metais preciosos e apenas é necessária uma pequena concentração do catalisador na superfície do eletrodo.
Ao trocar diferentes catalisadores, os pesquisadores planejam tentar fabricar outros produtos, como metanol e etanol, usando essa abordagem. A Helix Carbon, empresa fundada por Furst, também está trabalhando no desenvolvimento da tecnologia para potencial uso comercial.
Referência: “Eletrorredução de dióxido de carbono altamente eficiente via imobilização de catalisador dirigida por DNA” por Gang Fan, Nathan Corbin, Minju Chung, Thomas M. Gill, Evan B. Moore, Amruta A. Karbelkar e Ariel L. Furst, 25 de março de 2024, JACS Au.
DOI: 10.1021/jacsau.3c00823
A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, pelo Programa CIFAR Azrieli Global Scholars, pela MIT Energy Initiative e pelo MIT Deshpande Center.
