Materiais em nanoescala que imitam enzimas podem converter CO₂ em blocos de construção químicos

O pesquisador da Universidade Estadual de Montana, James Crawford, publicou recentemente um artigo colaborativo com o Laboratório Nacional de Energia Renovável que marca um passo à frente na busca pelo que ele chama de “Santo Graal” da química: converter o gás de efeito estufa dióxido de carbono em blocos de construção químicos que poderiam ser usados ​​para criar uma infinidade de outros materiais.

O artigo, “Captura de dióxido de carbono reativo de alta seletividade em materiais de dupla função de zeólita”, foi publicado na revista Catálise ACS. Uma ilustração em escala atômica do processo de conversão de dióxido de carbono é apresentada na capa do periódico.

“Nós capturamos com sucesso dióxido de carbono e o convertemos em metano e monóxido de carbono usando materiais microporosos funcionalizados”, disse Crawford, professor assistente de engenharia química e biológica na Norm Asbjornson College of Engineering da MSU. “O metano é um recurso de energia drop-in compatível com a infraestrutura de gás natural existente. O monóxido de carbono tem uma má reputação, mas acaba sendo um reagente essencial na geração de combustíveis sintéticos e produtos químicos.”

O elemento carbono é encontrado em todos os seres vivos. É o segundo elemento mais abundante no corpo humano e o quarto mais abundante no universo. É encontrado em biocombustíveis, produtos químicos, têxteis e materiais de construção. É também um elemento titular no dióxido de carbono, comumente conhecido como CO₂que compõe menos de 1% da atmosfera da Terra. Além de ser exalado por humanos, o gás incolor, inodoro e que retém calor é um subproduto da queima de combustíveis fósseis como petróleo, gás natural, gasolina e carvão.

Os métodos existentes para remover dióxido de carbono da atmosfera resultam principalmente no armazenamento do gás, em vez de convertê-lo em novos produtos.

“O que estamos tentando fazer é introduzir outra maneira de capturar CO₂ prendendo-o com ligações químicas”, disse Crawford, que também é afiliado ao Instituto de Pesquisa Energética da MSU e ao Centro de Engenharia de Biofilme. “Se você pode converter gases atmosféricos como dióxido de carbono e água em monóxido de carbono e hidrogênio, você pode então combiná-los para fazer praticamente qualquer hidrocarboneto.”

Hidrocarbonetos são compostos orgânicos compostos inteiramente de hidrogênio e carbono, o que os torna úteis como blocos de construção para muitos compostos químicos e materiais.

“Catalisadores biológicos, ou enzimas, têm reciclado gases atmosféricos por bilhões de anos”, ele disse. “Meu grupo está interessado em aprender sobre enzimas e copiar sua função em catalisadores robustos de estado sólido. Isso permitiria seu uso em processos industriais severos.”

Sua equipe está interessada em materiais que possam absorver seletivamente o CO₂ do ar e possibilitar as reações que alteram a identidade química da molécula. “Esses catalisadores devem ter CO₂ locais de fixação, bem como estruturas reativas que permitem que a reconstrução química ocorra”, disse Crawford.

Isso requer materiais com estruturas personalizáveis ​​em nanoescala, com dimensões medidas em bilionésimos de metro. Ele está interessado em dois materiais especificamente: zeólitas, que são materiais semelhantes a cerâmicas; e estruturas metal-orgânicas, que têm nós metálicos conectados com ligantes orgânicos. Ambos os materiais têm microporos e “sintonização” química para criar CO₂ sites de captura e conversão.

“Nós geramos zeólitas e estruturas metal-orgânicas no laboratório usando um processo que combina solventes, calor e pressão para impulsionar a formação de nossos catalisadores”, disse Crawford.

Com base nessas tecnologias emergentes, Crawford, que se formou em engenharia química e biológica na MSU antes de obter seu doutorado na Colorado School of Mines, disse que espera que sua pesquisa um dia leve ao desenvolvimento de nanocatalisadores mais eficientes com propriedades “biomiméticas”, o que significa que eles imitam processos biológicos.

“A biologia descobriu muito disso”, disse Crawford. “Estamos fazendo materiais biomiméticos que, um dia, serão capazes de direcionar o CO₂ processo de conversão para gerar os produtos químicos que mais precisamos.”