Os sistemas de captura e conversão de dia³xido de carbono das emissaµes das usinas de energia podem ser ferramentas importantes para conter asmudanças climáticas, mas a maioria érelativamente ineficiente e cara. Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um manãtodo que pode aumentar significativamente o desempenho de sistemas que usamsuperfÍcies catala­ticas para aumentar as taxas de reações eletroquímicas de sequestro de carbono.

Esses sistemas catala­ticos são uma opção atraente para a captura de carbono porque podem produzir produtos aºteis e valiosos, como combusta­veis para transporte ou matérias-primas químicas. Essa saa­da pode ajudar a subsidiar o processo, compensando os custos de redução das emissaµes de gases de efeito estufa.

Nesses sistemas, normalmente uma corrente de gás contendo dia³xido de carbono passa pela águapara liberar dia³xido de carbono para a reação eletroquímica. O movimento pela águaélento, o que retarda a taxa de conversão do dia³xido de carbono. O novo design garante que o fluxo de dia³xido de carbono permanea§a concentrado na águaao lado dasuperfÍcie do catalisador. Essa concentração, os pesquisadores mostraram, pode quase dobrar o desempenho do sistema.

Os resultados são descritos hoje na revista Cell Reports Physical Science em um artigo do pa³s-doutorado do MIT Sami Khan PhD '19, que agora éprofessor assistente na Simon Fraser University, junto com professores de engenharia meca¢nica Kripa Varanasi e Yang Shao-Horn do MIT, e o recanãm-formado Jonathan Hwang PhD '19.

“O sequestro de dia³xido de carbono éo desafio de nossos tempos”, diz Varanasi. Existem várias abordagens, incluindo sequestro geola³gico, armazenamento ocea¢nico, mineralização e conversão química. Quando se trata de fazer produtos aºteis e venda¡veis ​​a partir desse gás de efeito estufa, a conversão eletroquímica éparticularmente promissora, mas ainda precisa de melhorias para se tornar economicamente via¡vel. “O objetivo do nosso trabalho era entender qual éo grande gargalo nesse processo e melhorar ou mitigar esse gargalo”, afirma.

O gargalo acabou envolvendo a entrega de dia³xido de carbono a superfÍcie catala­tica que promove as transformações químicas desejadas, descobriram os pesquisadores. Nestes sistemas eletroquí­micos, a corrente de gases contendo dia³xido de carbono émisturada com a¡gua, sob pressão ou borbulhando-a atravanãs de um recipiente equipado com eletrodos de um material catalisador como o cobre. Uma tensão éentão aplicada para promover reações químicas produzindo compostos de carbono que podem ser transformados em combusta­veis ou outros produtos.

Existem dois desafios em tais sistemas: a reação pode prosseguir tão rápido que consome o suprimento de dia³xido de carbono que chega ao catalisador mais rapidamente do que pode ser reposto; e, se isso acontecer, uma reação competitiva - a divisão da águaem hidrogaªnio e oxigaªnio - pode assumir o controle e minar grande parte da energia que estãosendo colocada na reação.

Esfora§os anteriores para otimizar essas reações texturizando assuperfÍcies do catalisador para aumentar a área desuperfÍcie das reações falharam em atender a s expectativas, porque o fornecimento de dia³xido de carbono a superfÍcie não conseguia acompanhar o aumento da taxa de reação, mudando assim para a produção de hidrogaªnio hora extra.

Os pesquisadores abordaram esses problemas por meio do uso de umasuperfÍcie de atração de gás colocada bem próxima ao material catalisador. Este material éum material "gasfa­lico", super-hidrofa³bico, especialmente texturizado, que repele a a¡gua, mas permite que uma camada lisa de gás chamada plastra£o permanea§a próxima ao longo de suasuperfÍcie. Ele mantanãm o fluxo de entrada de dia³xido de carbono diretamente contra o catalisador para que as reações de conversão de dia³xido de carbono desejadas possam ser maximizadas.

Usando indicadores de pH baseados em corantes, os pesquisadores foram capazes de visualizar gradientes de concentração de dia³xido de carbono na canãlula de teste e mostrar que a concentração aumentada de dia³xido de carbono emana do plastra£o.

Em uma sanãrie de experimentos de laboratório usando esta configuração, a taxa da reação de conversão de carbono quase dobrou. Tambanãm foi sustentado ao longo do tempo, enquanto em experimentos anteriores a reação desapareceu rapidamente. O sistema produziu altas taxas de etileno, propanol e etanol - um combusta­vel automotivo em potencial. Enquanto isso, a evolução do hidrogaªnio competitivo foi drasticamente reduzida. Embora o novo trabalho possibilite o ajuste fino do sistema para produzir a mistura desejada de produtos, em algumas aplicações, otimizar a produção de hidrogaªnio como combusta­vel pode ser o resultado desejado, o que também pode ser feito.

“A manãtrica importante éa seletividade”, diz Khan, referindo-se a  capacidade de gerar compostos valiosos que sera£o produzidos por uma determinada mistura de materiais, texturas e tensaµes e de ajustar a configuração de acordo com a saa­da desejada.

Ao concentrar o dia³xido de carbono pra³ximo a superfÍcie do catalisador, o novo sistema também produziu dois novos compostos de carbono potencialmente aºteis, acetona e acetato, que não haviam sido detectados anteriormente em nenhum desses sistemas eletroquímicos em taxas aprecia¡veis.

Neste trabalho de laboratório inicial, uma única tira do material hidrofa³bico, que atrai gases, foi colocada ao lado de um aºnico eletrodo de cobre, mas em trabalhos futuros um dispositivo prático pode ser feito usando um conjunto denso de pares intercalados de placas, sugere Varanasi.

Em comparação com o trabalho anterior sobre redução eletroquímica de carbono com catalisadores nanoestruturados, Varanasi diz: “nossuperamos todos eles significativamente, porque embora seja o mesmo catalisador, écomo estamos entregando o dia³xido de carbono que muda o jogo”.

“Esta éuma forma completamente inovadora de alimentar um eletrolisador com dia³xido de carbono”, diz Ifan Stephens, professor de engenharia de materiais do Imperial College London, que não esteve ligado a esta pesquisa. “Os autores traduzem os conceitos de meca¢nica dos fluidos usados ​​na indústria de a³leo e gás para a produção de combusta­vel eletrola­tico. Acho que este tipo de fertilização cruzada de diferentes campos émuito emocionante. ”

Stephens acrescenta: "A redução do dia³xido de carbono tem um grande potencial como forma de produzir produtos químicos de plataforma, como etileno, a partir de eletricidade, águae dia³xido de carbono. O etileno éatualmente formado pela quebra de hidrocarbonetos de cadeia longa de combusta­veis fa³sseis; sua produção emite copiosos quantidades de dia³xido de carbono para a atmosfera. Este manãtodo poderia potencialmente levar a uma redução mais eficiente do dia³xido de carbono, o que poderia eventualmente afastar nossa sociedade de nossa dependaªncia atual de combusta­veis fa³sseis. "

A pesquisa foi apoiada pela empresa italiana de energia Eni SpA por meio da MIT Energy Initiative, e uma bolsa de pós-graduação NSERC PGS-D do Canada¡.