A busca continua em todo o mundo para encontrar maneiras de extrair dióxido de carbono do ar ou dos gases de exaustão de usinas de energia e depois transformá-lo em algo útil. Uma das ideias mais promissoras é transformá-lo num combustível estável que possa substituir os combustíveis fósseis em algumas aplicações. Mas a maioria desses processos de conversão teve problemas com a baixa eficiência de carbono ou produziu combustíveis que podem ser difíceis de manusear, tóxicos ou inflamáveis.

Agora, pesquisadores do MIT e da Universidade de Harvard desenvolveram um processo eficiente que pode converter dióxido de carbono em formato, um material líquido ou sólido que pode ser usado como hidrogênio ou metanol para alimentar uma célula de combustível e gerar eletricidade. O formato de potássio ou sódio, já produzido em escala industrial e comumente usado como descongelador de estradas e calçadas, não é tóxico, não é inflamável, é fácil de armazenar e transportar e pode permanecer estável em tanques de aço comuns para ser usado por meses ou até anos. , após sua produção.

O novo processo, desenvolvido pelos estudantes de doutorado do MIT Zhen Zhang, Zhichu Ren e Alexander H. Quinn; O estudante de doutorado da Universidade de Harvard, Dawei Xi; e a professora Ju Li do MIT, é descrita esta semana em um artigo de acesso aberto na Cell Reports Physical Science . Todo o processo – incluindo a captura e conversão eletroquímica do gás em um pó de formato sólido, que é então usado em uma célula de combustível para produzir eletricidade – foi demonstrado em pequena escala de laboratório. No entanto, os investigadores esperam que seja escalável para que possa fornecer calor e energia sem emissões a residências individuais e até mesmo ser utilizado em aplicações industriais ou à escala da rede.

Outras abordagens para converter dióxido de carbono em combustível, explica Li, geralmente envolvem um processo de duas etapas: primeiro, o gás é capturado quimicamente e transformado em uma forma sólida como carbonato de cálcio; depois, esse material é aquecido para eliminar o dióxido de carbono e convertê-lo. para uma matéria-prima de combustível, como o monóxido de carbono. Essa segunda etapa tem eficiência muito baixa, normalmente convertendo menos de 20% do dióxido de carbono gasoso no produto desejado, diz Li.

Em contraste, o novo processo atinge uma conversão bem superior a 90 por cento e elimina a necessidade da etapa de aquecimento ineficiente, convertendo primeiro o dióxido de carbono numa forma intermediária, o bicarbonato de metal líquido. Esse líquido é então convertido eletroquimicamente em potássio líquido ou formato de sódio em um eletrolisador que utiliza eletricidade de baixo carbono, por exemplo, energia nuclear, eólica ou solar. A solução líquida altamente concentrada de potássio ou formato de sódio produzida pode então ser seca, por exemplo, por evaporação solar, para produzir um pó sólido que é altamente estável e pode ser armazenado em tanques de aço comuns por até anos ou mesmo décadas, diz Li.

Várias etapas de otimização desenvolvidas pela equipe fizeram toda a diferença na transformação de um processo ineficiente de conversão química em uma solução prática, diz Li, que ocupa cargos conjuntos nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e de Ciência e Engenharia de Materiais.

O processo de captura e conversão de carbono envolve primeiro uma captura baseada em solução alcalina que concentra o dióxido de carbono, seja de fluxos concentrados, como as emissões de usinas de energia, ou de fontes de concentração muito baixa, mesmo ao ar livre, na forma de um metal líquido. solução de bicarbonato. Então, através do uso de um eletrolisador de membrana de troca catiônica, esse bicarbonato é convertido eletroquimicamente em cristais de formato sólido com uma eficiência de carbono superior a 96%, conforme confirmado nos experimentos em escala de laboratório da equipe.

Esses cristais têm vida útil indefinida, permanecendo tão estáveis que podem ser armazenados por anos, ou mesmo décadas, com pouca ou nenhuma perda. Em comparação, mesmo os melhores tanques práticos de armazenamento de hidrogénio disponíveis permitem que o gás vaze a uma taxa de cerca de 1% ao dia, evitando quaisquer utilizações que exijam armazenamento durante um ano, diz Li. O metanol, outra alternativa amplamente explorada para converter o dióxido de carbono num combustível utilizável em células de combustível, é uma substância tóxica que não pode ser facilmente adaptada para utilização em situações em que as fugas possam representar um perigo para a saúde. O formato, por outro lado, é amplamente utilizado e considerado benigno, de acordo com as normas nacionais de segurança.

Várias melhorias são responsáveis pela maior eficiência deste processo. Primeiro, um projeto cuidadoso dos materiais da membrana e sua configuração supera um problema encontrado em tentativas anteriores de tal sistema, onde o acúmulo de certos subprodutos químicos altera o pH, fazendo com que o sistema perca eficiência continuamente ao longo do tempo. “Tradicionalmente, é difícil conseguir uma conversão contínua, estável e de longo prazo das matérias-primas”, diz Zhang. “A chave do nosso sistema é alcançar um equilíbrio de pH para uma conversão em estado estacionário.”

Para conseguir isso, os pesquisadores realizaram modelagem termodinâmica para projetar o novo processo de forma que seja quimicamente equilibrado e o pH permaneça em um estado estacionário, sem mudança na acidez ao longo do tempo. Pode, portanto, continuar a operar de forma eficiente durante longos períodos. Nos testes, o sistema funcionou por mais de 200 horas sem diminuição significativa na produção. Todo o processo pode ser realizado em temperaturas ambientes e pressões relativamente baixas (cerca de cinco vezes a pressão atmosférica).

Outra questão era que as reações colaterais indesejadas produziam outros produtos químicos que não eram úteis, mas a equipe descobriu uma maneira de prevenir essas reações colaterais através da introdução de uma camada “tampão” extra de lã de fibra de vidro enriquecida com bicarbonato que bloqueava essas reações.

A equipe também construiu uma célula de combustível otimizada especificamente para o uso desse formato de combustível na produção de eletricidade. As partículas de formato armazenadas são simplesmente dissolvidas em água e bombeadas para a célula de combustível conforme necessário. Embora o combustível sólido seja muito mais pesado que o hidrogênio puro, quando se considera o peso e o volume dos tanques de gás de alta pressão necessários para armazenar o hidrogênio, o resultado final é uma produção de eletricidade próxima da paridade para um determinado volume de armazenamento, diz Li.

O combustível de formato pode ser potencialmente adaptado para qualquer coisa, desde unidades de tamanho doméstico até usos industriais em grande escala ou sistemas de armazenamento em escala de rede, dizem os pesquisadores. As aplicações domésticas iniciais podem envolver uma unidade eletrolisadora do tamanho de uma geladeira para capturar e converter o dióxido de carbono em formato, que pode ser armazenado em um tanque subterrâneo ou no telhado. Então, quando necessário, o sólido em pó seria misturado com água e alimentado em uma célula de combustível para fornecer energia e calor. “Isto é para manifestações comunitárias ou domésticas”, diz Zhang, “mas acreditamos que também no futuro poderá ser bom para as fábricas ou para a rede”.

“A economia do formato é um conceito intrigante porque os sais de formato metálico são muito benignos e estáveis, e um portador de energia atraente”, diz Ted Sargent, professor de química e de engenharia elétrica e de computação na Northwestern University, que não esteve associado a este trabalho. . “Os autores demonstraram maior eficiência na conversão de líquido para líquido da matéria-prima de bicarbonato em formato e demonstraram que esses combustíveis podem ser usados posteriormente para produzir eletricidade”, diz ele.

O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.