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Cientistas da Tokyo Tech demonstraram que o encapsulamento de nanopartículas de cobre em cristais de silicato poroso hidrofóbico aumenta significativamente a atividade catalítica de catalisadores de óxido de cobre-zinco usados na síntese de metanol via CO2 hidrogenação. A estrutura de encapsulamento inovadora inibe eficazmente a agregação térmica das partículas de cobre, levando a uma maior atividade de hidrogenação e ao aumento da produção de metanol. Este avanço abre caminho para uma síntese mais eficiente de metanol a partir de CO2.
Dióxido de carbono (CO2) as emissões são um dos principais contribuintes para o aquecimento global, realçando a necessidade premente de medidas de redução das emissões. Consequentemente, há uma exploração crescente de alternativas aos combustíveis fósseis, a principal fonte de CO2 emissões. O metanol surge como um combustível versátil e de baixo custo, oferecendo uma alternativa promissora aos combustíveis convencionais para transporte. Além disso, nos esforços para mitigar o impacto destas emissões, tem havido uma atenção significativa dirigida ao CO2 tecnologias de captura e utilização. Essas abordagens inovadoras envolvem a captura de CO2 da atmosfera e convertê-lo em produtos de valor agregado. Síntese de metanol via CO2 a hidrogenação se destaca como um método particularmente promissor entre essas tecnologias.
Para síntese de metanol via CO2 hidrogenação, são preferíveis temperaturas de reacção mais baixas, uma vez que é libertado calor durante a reacção. Conseqüentemente, os estudos têm se concentrado no desenvolvimento de catalisadores que apresentam atividades elevadas em baixas temperaturas. Catalisadores à base de óxido de cobre-zinco (Cu-ZnO) são particularmente favoráveis para este propósito devido à sua capacidade de formar uma interface Cu-ZnO que se liga e converte CO2 em intermediários de formato que, por sua vez, promovem a produção de metanol. Aumentar a área superficial desta interface é uma forma eficaz de melhorar a produção, o que pode ser conseguido aumentando a dispersão das nanopartículas de Cu. No entanto, as nanopartículas de Cu são termicamente instáveis, que se agregam durante a preparação e reação do catalisador, reduzindo assim a área de interface. Além disso, a formação de água como subproduto da síntese de metanol acelera a agregação de Cu e inibe a formação de formato.
Para resolver essas questões, uma equipe de pesquisadores, liderada pelo professor Teruoki Tago, do Departamento de Ciência e Engenharia Química da Escola de Materiais e Tecnologia Química do Instituto de Tecnologia de Tóquio, desenvolveu o novo Cu-ZnO encapsulado em Silicalita-1 (S-1). catalisadores. “A pesquisa indica que o encapsulamento de metais em transportadores porosos como sílica ou zeólita mitiga efetivamente a agregação térmica. Portanto, nosso foco mudou para o desenvolvimento de um catalisador novo e eficiente à base de Cu para a produção de metanol via CO2 hidrogenação, com ênfase especial no encapsulamento de nanopartículas de Cu em materiais porosos.”, explicou Tago. Seu estudo foi disponibilizado online em 21 de fevereiro de 2024 e publicado formalmente no Volume 485 do Revista de Engenharia Química em 1 de abril de 2024. A UE apoiou o projeto através do seu Quadro Horizon2020 e a Agência de Ciência e Tecnologia do Japão através do SCICORP (projeto Laurelin).
Os pesquisadores fabricaram dois tipos de catalisadores, um incluindo um catalisador Cu/S-1 no qual o cobre foi carregado em S-1 hidrofóbico por impregnação, e o outro catalisador Cu@S-1, no qual um pó de filossilicato de Cu (CuPS) foi usado como fonte de metal para encapsular partículas de Cu na zeólita S-1. Cu@S-1 foi preparado reduzindo o pó de CuPS dissolvido. Os pesquisadores investigaram o tempo de dissolução dos precursores de CuPS nas propriedades do catalisador, revelando que tempos de dissolução inadequados afetam significativamente o tamanho das partículas de Cu. A dissolução ideal do precursor resultou em um catalisador com partículas de Cu de aproximadamente 2,4 nanômetros encapsuladas em S-1, exibindo atividade catalítica ideal. Este catalisador demonstrou maior atividade de hidrogenação e produção de metanol que Cu/S-1.
Para melhorar ainda mais a produção de metanol, ZnO foi adicionado ao Cu por impregnação, formando o catalisador ZnO/Cu com partículas finas de Cu. Este catalisador demonstrou atividade ainda maior, sugerindo a formação da interface Cu-ZnO. “Nossas descobertas indicam que a estrutura de encapsulamento com S-1 suprime efetivamente a agregação térmica de partículas de Cu, ao mesmo tempo que facilita a rápida eliminação do subproduto água da vizinhança da interface Cu-ZnO, melhorando assim a síntese de metanol”, observou Tago.
No geral, este estudo demonstra a eficácia do método inovador de encapsulamento para a preparação de catalisadores altamente ativos, oferecendo um caminho promissor para a produção eficiente de metanol a partir de CO2.
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