Pesquisadores do Grupo de Peneiras Moleculares, Micro e Mesoporosas do Instituto de Química (IQ) da Unicamp viram em um dos principais responsáveis pelo aquecimento global – o dióxido de carbono (CO2) – a oportunidade de desenvolver uma tecnologia para a produção de metanol, metano e outros combustíveis sintéticos. Para isso, utilizaram um catalisador baseado em um mineral raro, a magadiita, e adotaram um processo denominado hidrogenação catalítica de CO2, reação química em que o dióxido de carbono e o hidrogênio são combinados sob condições controladas de temperatura e pressão para produzir compostos de maior valor.

Protegida com estratégia da agência de inovação Inova Unicamp, a tecnologia foi desenvolvida no âmbito de um projeto de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PD&I) financiado pela empresa ExxonMobil. O grupo de pesquisadores da Universidade foi o primeiro no Brasil a receber investimento da petroleira estadunidense, por meio da Lei de Royalties. A parceria teve duração de cerca de cinco anos e resultou em um pedido de patente em cotitularidade com a ExxonMobil.

Embora o metanol (CH3OH) seja o produto de interesse na hidrogenação catalítica de CO2, seu processo também pode gerar subprodutos indesejados, tais como monóxido de carbono (CO) e metano (CH4), cujo controle está no cerne do desafio científico. “O objetivo é ter um catalisador seletivo, que direcione a reação prioritariamente para o metanol”, explica Ricardo José Passini, aluno de pós-graduação do IQ e um dos inventores da tecnologia.

O principal obstáculo dos catalisadores convencionais é a água que resta como subproduto, pois, ao se acumular, ela provoca um fenômeno chamado sinterização, quando átomos de cobre, elemento ativo do catalisador, aglomeram-se e perdem progressivamente a eficiência. A solução foi conferir uma propriedade hidrofóbica (isto é, de repulsão à água) para expulsar a umidade gerada e preservar a integridade das espécies ativas empregadas no estudo (cobre e zinco). Essa abordagem já havia sido testada com carbono e polímeros utilizados como suporte, porém ambos apresentavam limitações, pois o carbono se decompõe a temperaturas acima de 600 °C, e os polímeros perdem a hidrofobicidade sob as condições rigorosas da reação. 

A busca por um material mais robusto levou os pesquisadores à magadiita, um silicato de sódio (composto químico formado por silício e oxigênio) disponível na natureza. 

Descrita pela primeira vez em 1967 por um pesquisador alemão, ela foi identificada em um pequeno depósito no lago Magadi, no Quênia, que deu origem ao nome. Embora sua estrutura em camadas fosse conhecida desde então, a composição exata das ligações atômicas em escala microscópica permaneceu um mistério. Apenas em 2021 essa estrutura foi completamente elucidada, em artigo científico coordenado por Heloise de Oliveira Pastore Jensen, professora no IQ, em colaboração com cientistas da Alemanha, da República Tcheca e de grupos brasileiros de Minas Gerais e Campinas.

A relação do grupo com a magadiita remonta a 1996, quando o mineral apareceu como impureza em outro experimento. “Decidi estudar como ela se formava para eliminá-la. No fim, o material era muito mais interessante do que aquele que eu queria preparar originalmente”, conta a professora, também inventora da tecnologia. 

Para o aperfeiçoamento da tecnologia de hidrogenação, o grupo utilizou o conhecimento sobre o silicato acumulado por Jensen ao longo dos anos. Neste caso, a magadiita foi modificada quimicamente com a substituição do sódio pelo hidrogênio, para ampliar sua hidrofobicidade. Sendo um mineral, ela reúne o que os suportes anteriores não ofereciam, por ser densa e manter as propriedades inalteradas mesmo sob condições extremas de temperatura e pressão. Além de evitar a sinterização, a magadiita proporcionou melhor dispersão das espécies ativas de cobre e zinco. 

Os pesquisadores também reduziram expressivamente as condições operacionais de temperatura e pressão necessárias para a reação. A indústria opera tipicamente a 270 °C e 50 bars de pressão (cerca de 50 vezes a pressão atmosférica do ambiente), enquanto o novo catalisador funcionou entre 180 °C e 200 °C, com pressões de 20 a 30 bars. Em ensaio contínuo de 50 horas, a atividade se manteve estável. A eliminação da necessidade da camada de alumina, material comumente usado como suporte em catalisadores, foi inesperada. “O melhor catalisador de todos não precisava dessa camada. Foram muitos experimentos até chegar a essa conclusão”, lembra a inventora.

Focando no metanol como produto central, a invenção abre caminho para aplicações em diferentes setores. Ao contrário de absorventes convencionais utilizados na indústria, que apenas transferem o CO2 de um ambiente para o outro, a solução dos pesquisadores converte o gás em uma molécula de valor agregado e ainda o transforma em líquido, facilitando o transporte e armazenamento.

Uma das aplicações mais imediatas é a purificação do biogás, amplamente produzido no Brasil. Composto por metano e gás carbônico, o biogás precisa ter o CO2 removido para que o metano seja aproveitado como combustível. A tecnologia não apenas extrai o dióxido de carbono como também o converte em metanol, gerando valor onde antes havia resíduo.

Em instalações industriais que queimam combustíveis fósseis, um sistema acoplado poderia capturar o CO2 emitido e convertê-lo in loco, fechando um ciclo mais sustentável. O metanol produzido é ainda uma molécula-plataforma, que serve como ponto de partida, ou matéria-prima, para fabricar outros produtos químicos de maior valor agregado. A partir dele, obtém-se, por exemplo, o dimetilcarbonato, que é aditivo de combustível e solvente para indústrias química, cosmética e de tintas. “Retiramos uma molécula abundante, estável e barata, que é o dióxido de carbono, e a transformamos em algo útil”, sintetiza Jensen.

Para chegar ao mercado, a tecnologia precisa ser licenciada por empresas ou instituições interessadas em processos industriais mais eficientes e ambientalmente responsáveis. A Inova Unicamp viabiliza essa conexão entre a pesquisa acadêmica e o setor produtivo, operacionalizando o processo de transferência de tecnologia por meio do formulário de conexão com empresas. Outras tecnologias desenvolvidas na Unicamp também estão disponíveis para licenciamento no portfólio de tecnologias da Universidade.