A invenção “verde” do laboratório reduz o dióxido de carbono em combustíveis valiosos
Um gás de efeito estufa comum pode ser reaproveitado de maneira eficiente e ecológica com um eletrolisador que usa eletricidade renovável para produzir combustíveis líquidos puros.
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O reator catalítico desenvolvido pelo laboratório químico e biomolecular da Universidade Rice, Haotian Wang, usa dióxido de carbono como matéria-prima e, em seu protótipo mais recente, produz concentrações altamente purificadas e altas de ácido fórmico.
O ácido fórmico produzido por dispositivos tradicionais de dióxido de carbono precisa de etapas de purificação dispendiosas e que consomem muita energia, disse Wang. A produção direta de soluções de ácido fórmico puro ajudará a promover tecnologias comerciais de conversão de dióxido de carbono.
O método é detalhado em Nature Energy .
Wang, que ingressou na Brown School of Engineering de Rice em janeiro, e seu grupo buscam tecnologias que transformam gases de efeito estufa em produtos úteis. Nos testes, o novo eletrocatalisador alcançou uma eficiência de conversão de energia de cerca de 42%. Isso significa que quase metade da energia elétrica pode ser armazenada em ácido fórmico como combustível líquido.
"O ácido fórmico é um transportador de energia", disse Wang. "É um combustível de célula combustível que pode gerar eletricidade e emitir dióxido de carbono - que você pode pegar e reciclar novamente.
"Também é fundamental na indústria de engenharia química como matéria-prima para outros produtos químicos, e um material de armazenamento de hidrogênio que pode conter quase 1.000 vezes a energia do mesmo volume de gás hidrogênio, difícil de comprimir", afirmou. "Atualmente, esse é um grande desafio para os carros a célula a hidrogênio".
Dois avanços tornaram possível o novo dispositivo, disse o principal autor e pesquisador de pós-doutorado em Rice, Chuan Xia. O primeiro foi o desenvolvimento de um catalisador robusto e bidimensional de bismuto e o segundo de um eletrólito de estado sólido que elimina a necessidade de sal como parte da reação.
"O bismuto é um átomo muito pesado, comparado a metais de transição como cobre, ferro ou cobalto", disse Wang. "Sua mobilidade é muito menor, principalmente sob condições de reação. Isso estabiliza o catalisador". Ele observou que o reator está estruturado para impedir que a água entre em contato com o catalisador, o que também ajuda a preservá-lo.
Xia pode fabricar os nanomateriais a granel. "Atualmente, as pessoas produzem catalisadores nas escalas de miligrama ou grama", disse ele. "Desenvolvemos uma maneira de produzi-los na escala de quilogramas. Isso facilitará o processo de expansão para a indústria".
O eletrólito sólido à base de polímero é revestido com ligantes de ácido sulfônico para conduzir carga positiva ou grupos funcionais amino para conduzir íons negativos. "Normalmente, as pessoas reduzem o dióxido de carbono em um eletrólito líquido tradicional como a água salgada", disse Wang. "Você deseja que a eletricidade seja conduzida, mas o eletrólito da água pura é muito resistente. Você precisa adicionar sais como cloreto de sódio ou bicarbonato de potássio para que os íons possam se mover livremente na água.
"Mas quando você gera ácido fórmico dessa maneira, ele se mistura com os sais", disse ele. "Para a maioria das aplicações, é necessário remover os sais do produto final, o que demanda muita energia e custo. Por isso, empregamos eletrólitos sólidos que conduzem prótons e podem ser feitos de polímeros insolúveis ou compostos inorgânicos, eliminando a necessidade de sais . "
A taxa na qual a água flui através da câmara do produto determina a concentração da solução. A taxa de transferência lenta com a configuração atual produz uma solução com quase 30% de ácido fórmico em peso, enquanto fluxos mais rápidos permitem que a concentração seja personalizada. Os pesquisadores esperam alcançar concentrações mais altas dos reatores de próxima geração que aceitam o fluxo de gás para trazer vapores de ácido fórmico puro.
O laboratório Rice trabalhou com o Laboratório Nacional Brookhaven para visualizar o processo em andamento. "A espectroscopia de absorção de raios-X, uma poderosa técnica disponível na linha de luz Inner Shell Spectroscopy (ISS) da National Synchrotron Light Source II da Brookhaven Lab, nos permite investigar a estrutura eletrônica dos eletrocatalisadores em operação - ou seja, durante o processo químico real ", disse o coautor Eli Stavitski, principal cientista da ISS. "Neste trabalho, seguimos os estados de oxidação do bismuto em diferentes potenciais e conseguimos identificar o estado ativo do catalisador durante a redução de dióxido de carbono".
Com seu reator atual, o laboratório gerou ácido fórmico continuamente por 100 horas com degradação insignificante dos componentes do reator, incluindo os catalisadores em nanoescala. Wang sugeriu que o reator poderia ser facilmente reequipado para produzir produtos de maior valor como ácido acético, etanol ou propanol.
"O cenário geral é que a redução de dióxido de carbono é muito importante por seu efeito no aquecimento global e também na síntese química verde", disse Wang. "Se a eletricidade vier de fontes renováveis, como o sol ou o vento, podemos criar um loop que transforma dióxido de carbono em algo importante sem emitir mais".
Os co-autores são estudantes de graduação em Rice, Peng Zhu; o estudante de graduação Qiu Jiang e Husam Alshareef, professor de ciência e engenharia de materiais, na Universidade de Ciência e Tecnologia King Abdullah, Arábia Saudita (KAUST); pesquisador de pós-doutorado Ying Pan da Universidade de Harvard; e o cientista Wentao Liang, da Northeastern University. Wang é o professor assistente de William Marsh Rice Trustee de engenharia química e biomolecular. Xia é pós-doutorado em J. Evans Attwell-Welch na Rice.
Rice e o Departamento de Energia dos EUA - Gabinete de Usuários das Ciências apoiaram a pesquisa.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Rice University . Nota: O conteúdo pode ser editado por estilo e duração.
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