Os sistemas de captura e conversão de dióxido de carbono das emissões das usinas de energia podem ser ferramentas importantes para conter as mudanças climáticas, mas a maioria é relativamente ineficiente e cara. Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um método que pode aumentar significativamente o desempenho de sistemas que usam superfícies catalíticas para aumentar as taxas de reações eletroquímicas de sequestro de carbono.

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

Nesses sistemas, normalmente uma corrente de gás contendo dióxido de carbono passa pela água para liberar dióxido de carbono para a reação eletroquímica. O movimento pela água é lento, o que retarda a taxa de conversão do dióxido de carbono. O novo design garante que o fluxo de dióxido de carbono permaneça concentrado na água ao lado da superfície 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 pós-doutorado do MIT Sami Khan PhD '19, que agora é professor assistente na Simon Fraser University, junto com professores de engenharia mecânica Kripa Varanasi e Yang Shao-Horn do MIT, e o recém-formado Jonathan Hwang PhD '19.

“O sequestro de dióxido de carbono é o desafio de nossos tempos”, diz Varanasi. Existem várias abordagens, incluindo sequestro geológico, armazenamento oceânico, mineralização e conversão química. Quando se trata de fazer produtos úteis e vendáveis ​​a partir desse gás de efeito estufa, a conversão eletroquímica é particularmente promissora, mas ainda precisa de melhorias para se tornar economicamente viável. “O objetivo do nosso trabalho era entender qual é o grande gargalo nesse processo e melhorar ou mitigar esse gargalo”, afirma.

O gargalo acabou envolvendo a entrega de dióxido de carbono à superfície catalítica que promove as transformações químicas desejadas, descobriram os pesquisadores. Nestes sistemas eletroquímicos, a corrente de gases contendo dióxido de carbono é misturada com água, sob pressão ou borbulhando-a através de um recipiente equipado com eletrodos de um material catalisador como o cobre. Uma tensão é então aplicada para promover reações químicas produzindo compostos de carbono que podem ser transformados em combustíveis ou outros produtos.

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

Esforços anteriores para otimizar essas reações texturizando as superfícies do catalisador para aumentar a área de superfície das reações falharam em atender às expectativas, porque o fornecimento de dióxido de carbono à superfície não conseguia acompanhar o aumento da taxa de reação, mudando assim para a produção de hidrogênio hora extra.

Os pesquisadores abordaram esses problemas por meio do uso de uma superfície de atração de gás colocada bem próxima ao material catalisador. Este material é um material "gasfílico", super-hidrofóbico, especialmente texturizado, que repele a água, mas permite que uma camada lisa de gás chamada plastrão permaneça próxima ao longo de sua superfície. Ele mantém o fluxo de entrada de dióxido de carbono diretamente contra o catalisador para que as reações de conversão de dióxido de carbono desejadas possam ser maximizadas.

Usando indicadores de pH baseados em corantes, os pesquisadores foram capazes de visualizar gradientes de concentração de dióxido de carbono na célula de teste e mostrar que a concentração aumentada de dióxido de carbono emana do plastrão.

Em uma série de experimentos de laboratório usando esta configuração, a taxa da reação de conversão de carbono quase dobrou. Também 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 combustível automotivo em potencial. Enquanto isso, a evolução do hidrogênio 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 hidrogênio como combustível pode ser o resultado desejado, o que também pode ser feito.

“A métrica importante é a seletividade”, diz Khan, referindo-se à capacidade de gerar compostos valiosos que serão produzidos por uma determinada mistura de materiais, texturas e tensões e de ajustar a configuração de acordo com a saída desejada.

Ao concentrar o dióxido de carbono próximo à superfície do catalisador, o novo sistema também produziu dois novos compostos de carbono potencialmente úteis, acetona e acetato, que não haviam sido detectados anteriormente em nenhum desses sistemas eletroquímicos em taxas apreciáveis.

Neste trabalho de laboratório inicial, uma única tira do material hidrofóbico, que atrai gases, foi colocada ao lado de um único 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: “nós superamos todos eles significativamente, porque embora seja o mesmo catalisador, é como estamos entregando o dióxido de carbono que muda o jogo”.

“Esta é uma forma completamente inovadora de alimentar um eletrolisador com dióxido 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 mecânica dos fluidos usados ​​na indústria de óleo e gás para a produção de combustível eletrolítico. Acho que este tipo de fertilização cruzada de diferentes campos é muito emocionante. ”

Stephens acrescenta: "A redução do dióxido de carbono tem um grande potencial como forma de produzir produtos químicos de plataforma, como etileno, a partir de eletricidade, água e dióxido de carbono. O etileno é atualmente formado pela quebra de hidrocarbonetos de cadeia longa de combustíveis fósseis; sua produção emite copiosos quantidades de dióxido de carbono para a atmosfera. Este método poderia potencialmente levar a uma redução mais eficiente do dióxido de carbono, o que poderia eventualmente afastar nossa sociedade de nossa dependência atual de combustíveis fósseis. "

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 Canadá.