Os pesquisadores desenvolveram um catalisador à base de estanho que converte eficientemente o CO2 em produtos químicos essenciais, como etanol e ácido acético, usando conversão eletrocatalítica, com aplicações potenciais na redução das emissões de gases de efeito estufa através da utilização de fontes de energia renováveis.
Um catalisador de baixo custo à base de estanho pode converter seletivamente o dióxido de carbono em três produtos químicos amplamente produzidos – etanol, acético ácidoe ácido fórmico.
Escondido nas emissões de muitas operações industriais está um recurso inexplorado – o dióxido de carbono (CO2). Contribuindo para os gases com efeito de estufa e para o aquecimento global, poderia, em vez disso, ser capturado e convertido em produtos químicos de valor acrescentado.
Em um projeto colaborativo envolvendo o Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a Northern Illinois University e a Valparaiso University, os cientistas relatam uma família de catalisadores que converte eficientemente CO2 em etanol, ácido acético ou ácido fórmico. Esses hidrocarbonetos líquidos estão entre os produtos químicos mais produzidos nos EUA e são encontrados em muitos produtos comerciais. Por exemplo, o etanol é um ingrediente chave em numerosos produtos domésticos e um aditivo para quase toda a gasolina dos EUA.
Método de conversão eletrocatalítica
O método utilizado pela equipe é chamado de conversão eletrocatalítica, o que significa que CO2 a conversão através de um catalisador é impulsionada pela eletricidade. Variando o tamanho do estanho usado, desde átomos únicos até aglomerados ultrapequenos e também nanocristalitos maiores, a equipe poderia controlar o CO2 conversão em ácido acético, etanol e ácido fórmico, respectivamente. A seletividade para cada um desses produtos químicos foi de 90% ou superior. “Nossa descoberta de uma mudança no caminho da reação pelo tamanho do catalisador não tem precedentes”, disse Liu.
Estudos computacionais e experimentais revelaram vários insights sobre os mecanismos de reação que formam os três hidrocarbonetos. Uma descoberta importante foi que o caminho da reação muda completamente quando a água comum usada na conversão é trocada por água deuterada (o deutério é um isótopo do hidrogênio). Este fenômeno é conhecido como efeito isotópico cinético. Nunca foi observado anteriormente em CO2 conversão.
Pesquisadores experimentando catalisadores à base de estanho que convertem eficientemente CO2 em etanol, ácido acético ou ácido fórmico. Na imagem estão os pesquisadores da Argonne, Haozhe Zhang e Jianxin Wang. Crédito: Laboratório Nacional Argonne
Esta pesquisa se beneficiou de duas instalações de usuários do DOE Office of Science em Argonne – a Advanced Photon Source (APS) e o Center for Nanoscale Materials (CNM). “Usando os feixes de raios X disponíveis na APS, capturamos as estruturas químicas e eletrônicas dos catalisadores à base de estanho com diferentes cargas de estanho”, disse Chengjun Sun, físico de Argonne. Além disso, a alta resolução espacial possível com um microscópio eletrônico de transmissão no CNM fotografou diretamente o arranjo dos átomos de estanho, desde átomos únicos até pequenos aglomerados, com as diferentes cargas de catalisador.
De acordo com Liu, “Nosso objetivo final é usar eletricidade gerada localmente a partir de energia eólica e solar para produzir os produtos químicos desejados para consumo local.”
Isso exigiria a integração dos catalisadores recém-descobertos em um eletrolisador de baixa temperatura para realizar o CO2 conversão com eletricidade fornecida por energia renovável. Eletrolisadores de baixa temperatura podem operar próximo à temperatura e pressão ambiente. Isto permite iniciar e parar rapidamente para acomodar o fornecimento intermitente de energia renovável. É uma tecnologia ideal para atender a esse propósito.
“Se pudermos produzir seletivamente apenas os produtos químicos necessários perto do local, poderemos ajudar a reduzir o CO2 custos de transporte e armazenamento”, observou Liu. “Seria realmente uma situação ganha-ganha para os adotantes locais de nossa tecnologia.”
Referência: “Modulando a conversão eletrocatalítica de CO2 para a via orgânica pela dimensão do sítio catalítico” por Haiping Xu, Jianxin Wang, Haiying He, Inhui Hwang, Yuzi Liu, Chengjun Sun, Haozhe Zhang, Tao Li, John V. Muntean, Tao Xu e Di-Jia Liu, 4 de abril de 2024, Jornal da Sociedade Química Americana.
DOI: 10.1021/jacs.3c12722
O apoio para a pesquisa veio do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, subordinado ao Escritório de Manufatura Avançada, Escritório de Eficiência Industrial e Descarbonização. Apoio adicional foi fornecido pelo fundo de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de Argonne.
