Os pesquisadores desenvolvem um dispositivo aprimorado para transformar CO2 em produtos químicos valiosos 10 vezes mais rápido do que as versões anteriores.
As células de combustível transformam produtos químicos em eletricidade. Agora, uma equipa de engenharia da Universidade de Toronto adaptou a tecnologia das células de combustível para fazer o inverso: aproveitar a eletricidade para produzir produtos químicos valiosos a partir de resíduos de carbono (CO2).
“Durante décadas, investigadores talentosos têm desenvolvido sistemas que convertem eletricidade em hidrogénio e vice-versa”, afirma o professor Ted Sargent (ECE), um dos autores seniores de um artigo publicado na revista Science em 7 de fevereiro de 2020. “A nossa inovação baseia-se nesse legado, mas ao usar moléculas baseadas em carbono, podemos conectar-nos diretamente à infraestrutura de hidrocarbonetos existente.”
Em uma célula a combustível de hidrogênio, o hidrogênio e o oxigênio se unem na superfície de um catalisador. A reação química libera elétrons, que são capturados por materiais especializados dentro da célula a combustível e bombeados para um circuito.
O oposto de uma célula de combustível é um eletrolisador, que usa eletricidade para conduzir uma reação química. Os autores do novo artigo são especialistas no projeto de eletrolisadores que convertem CO2 em outras moléculas à base de carbono, como o etileno. A equipe inclui o candidato ao doutorado do MIE, Adnan Ozden, que é supervisionado pelo professor David Sinton (MIE), bem como vários membros da equipe de Sargent, incluindo o candidato ao doutorado da ECE, Joshua Wicks, o bolsista de pós-doutorado da ECE, F. Pelayo García de Arquer, e o ex-bolsista de pós-doutorado da ECE. Cao-Thang Dinh.
“O etileno é um dos produtos químicos mais produzidos no mundo”, diz Wicks. “É usado para fazer de tudo, desde anticongelante até móveis de jardim. Hoje é derivado de combustíveis fósseis, mas se pudéssemos fazê-lo através da valorização do CO2 residual, isso proporcionaria um novo incentivo económico para a captura de carbono.”
Os electrolisadores actuais ainda não produzem etileno numa escala suficientemente grande para competir com o que é derivado de combustíveis fósseis. Parte do desafio reside na natureza única da reação química que transforma o CO2 em etileno e outras moléculas à base de carbono.
“A reação requer três coisas: CO2, que é um gás; íons hidrogênio, provenientes da água líquida; e elétrons, que são transmitidos através de um catalisador metálico”, diz Ozden. “Reunir essas três fases diferentes – especialmente o CO2 – rapidamente é um desafio, e é isso que limitou a taxa da reação.”
Em seu projeto mais recente de eletrolisador, a equipe usou um arranjo exclusivo de materiais para superar os desafios de reunir os reagentes. Os elétrons são entregues usando um catalisador à base de cobre que a equipe havia desenvolvido anteriormente. Mas em vez de uma folha plana de metal, o catalisador do novo eletrolisador está na forma de pequenas partículas embutidas em uma camada de um material conhecido como Nafion.
Nafion é um ionômero – um polímero que pode conduzir partículas carregadas conhecidas como íons. Hoje, é comumente usado em células de combustível, onde sua função é transportar íons de hidrogênio (H+) carregados positivamente dentro do reator.
“Em nossos experimentos, descobrimos que um determinado arranjo do Nafion pode facilitar o transporte de gases como o CO2”, diz García de Arquer. “Nosso projeto permite que os reagentes gasosos alcancem a superfície do catalisador com rapidez suficiente e de maneira suficientemente distribuída para aumentar significativamente a taxa de reação.”
Como a reação não está mais limitada pela rapidez com que os três reagentes podem se unir, a equipe conseguiu transformar CO2 em etileno e outros produtos 10 vezes mais rápido do que antes. Eles conseguiram isso sem reduzir a eficiência geral do reator, o que significa mais produto por aproximadamente o mesmo custo de capital.
Apesar do avanço, o aparelho ainda está muito longe da viabilidade comercial. Um dos principais desafios restantes tem a ver com a estabilidade do catalisador sob as novas densidades de corrente mais elevadas.
“Podemos bombear elétrons 10 vezes mais rápido, o que é ótimo, mas só podemos operar o sistema por cerca de dez horas antes que a camada de catalisador se rompa”, diz Dinh. “Isso ainda está longe da meta de milhares de horas que seriam necessárias para aplicação industrial.”
Dinh, que agora é professor de engenharia química na Queen’s University, continua o trabalho analisando novas estratégias para estabilizar a camada de catalisador, como modificar ainda mais a estrutura química do Nafion ou adicionar camadas adicionais para protegê-lo.
Os demais membros da equipe planejam trabalhar em diversos desafios, como otimizar o catalisador para produzir outros produtos comercialmente valiosos além do etileno.
“Escolhemos o etileno como exemplo, mas os princípios aqui podem ser aplicados à síntese de outros produtos químicos valiosos, incluindo o etanol”, diz Wicks. “Além de seus diversos usos industriais, o etanol também é amplamente utilizado como combustível.”
A capacidade de produzir combustíveis, materiais de construção e outros produtos de uma forma neutra em carbono é um passo importante para reduzir a nossa dependência dos combustíveis fósseis.
“Mesmo que deixemos de usar o petróleo como energia, ainda precisaremos de todas essas moléculas”, diz García de Arquer. “Se conseguirmos produzi-los utilizando resíduos de CO2 e energias renováveis, poderemos ter um grande impacto em termos de descarbonização da nossa economia.”
Leia Catalyst produz produtos químicos úteis ao remover CO2 para obter mais informações sobre esta pesquisa.
Referência: “Eletrólise de CO2 para produtos multicarbonados em atividades superiores a 1 A cm-2” por F. Pelayo García de Arquer, Cao-Thang Dinh, Adnan Ozden, Joshua Wicks, Christopher McCallum, Ahmad R. Kirmani, Dae-Hyun Nam, Christine Gabardo, Ali Seifitokaldani, Xue Wang, Yuguang C. Li, Fengwang Li, Jonathan Edwards, Lee J. Richter, Steven J. Thorpe, David Sinton e Edward H. Sargent, 7 de fevereiro de 2020, Ciência.