Tecnologia Científica

Pesquisadores descobrem novo eletrocatalisador para transformar dióxido de carbono em combustível líquido
Uma equipe de pesquisa descobriu um novo eletrocatalisador que converte dióxido de carbono (CO 2 ) e água em etanol com eficiência energética muito alta, alta seletividade para o produto final desejado e baixo custo.
Por Joseph E. Harmon - 05/08/2020


Renderização artística do processo eletrocatalítico para conversão de dióxido de carbono e água em etanol. Crédito: Crédito: Argonne National Laboratory

Os catalisadores aceleram as reações químicas e formam a espinha dorsal de muitos processos industriais. Por exemplo, eles são essenciais na transformação de 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 Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) em colaboração com a Northern Illinois University, descobriu um novo eletrocatalisador que converte dióxido de carbono (CO 2 ) 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 produto intermediário nas indústrias química, farmacêutica e de cosméticos.

"O processo resultante do nosso catalisador contribuiria para a economia circular de carbono, que implica a reutilização de dióxido de carbono", disse Di-Jia Liu, químico sênior da divisão de Ciências e Engenharia Química de Argonne e cientista do UChicago CASE na Pritzker School of Molecular. Engenharia, Universidade de Chicago. Esse processo faria isso convertendo eletroquimicamente o CO 2 emitido por processos industriais , como usinas de combustíveis fósseis ou usinas de fermentação de álcool, em mercadorias valiosas a um custo razoável.

"Preparamos vários novos catalisadores usando essa abordagem e descobrimos que todos eles são altamente eficientes na conversão de CO 2 em outros hidrocarbonetos", disse Liu. "Planejamos continuar essa pesquisa em colaboração com a indústria para avançar nessa tecnologia promissora".


O catalisador da equipe consiste em cobre atomicamente disperso em um suporte de pó de carbono. Por uma reação eletroquímica, esse catalisador quebra as moléculas de CO 2 e de 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%, muito maior do que qualquer outro processo relatado. Além disso, o catalisador opera de forma estável durante operações prolongadas a baixa tensão.

"Com esta 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 conversão de dióxido de carbono em uma vasta gama de produtos químicos de valor agregado".

Como o CO 2 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 CO 2 em etanol usando nosso catalisador na rede elétrica e tirar proveito da eletricidade de baixo custo disponível de fontes renováveis, como energia solar e eólica, fora do horário de pico. . " Como o processo é executado a 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 para usuários do DOE Office of Science em Argonne - a Advanced Photon Source (APS) e o Center for Nanocale Materials (CNM) -, bem como o Laboratory Computing Resource Center (LCRC) de Argonne. "Graças ao alto fluxo de fótons dos raios X na APS, capturamos as mudanças estruturais do catalisador durante a reação eletroquímica ", disse Tao Li, professor assistente do Departamento de Química e Bioquímica do norte de Illinois. Universidade e um cientista assistente na divisão de ciências 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 grupos de três átomos de cobre, cada um com a aplicação de baixa tensão. O COA catálise 2 -para-etanol ocorre nesses pequenos aglomerados de cobre. Esta descoberta está lançando luz sobre maneiras de melhorar ainda mais o catalisador através do design racional. 

"Preparamos vários novos catalisadores usando essa abordagem e descobrimos que todos eles são altamente eficientes na conversão de CO 2 em outros hidrocarbonetos", disse Liu. "Planejamos continuar essa pesquisa em colaboração com a indústria para avançar nessa tecnologia promissora".

 

.
.

Leia mais a seguir