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A necessidade de capturar CO2 e transportá-lo para armazenamento permanente ou conversão em usos finais valiosos é uma prioridade nacional recentemente identificada na Lei de Infraestrutura Bipartidária para avançar em direção a emissões líquidas zero de gases de efeito estufa até 2050.
Agora, os pesquisadores da Northwestern University trabalharam com uma equipe internacional de colaboradores para criar ácido acético a partir do monóxido de carbono derivado do carbono capturado. A inovação, que usa um novo catalisador criado no laboratório do professor Ted Sargent, pode estimular um novo interesse na captura e armazenamento de carbono.
“A captura de carbono é viável hoje do ponto de vista técnico, mas ainda não do ponto de vista econômico”, disse Sargent. “Ao usar a eletroquímica para converter o carbono capturado em produtos com mercados estabelecidos, oferecemos novos caminhos para melhorar essa economia, bem como uma fonte mais sustentável para os produtos químicos industriais de que ainda precisamos.”
O artigo foi publicado hoje (3 de maio) na revista Natureza.
Sargent, o autor correspondente do artigo, é Lynn Hopton Davis e Greg Davis, professor de química da Northwestern no Weinberg College of Arts and Sciences e professor de engenharia elétrica e de computação na McCormick School of Engineering. Sua equipe tem um histórico de uso de eletrolisadores – dispositivos nos quais a eletricidade impulsiona uma reação química desejada – para converter carbono capturado em produtos químicos industriais importantes, incluindo etileno e propanol.
Embora o ácido acético possa ser mais conhecido como o principal componente do vinagre doméstico, o recente Ph.D. da Universidade de Toronto. o destinatário Josh Wicks, um dos quatro co-autores principais do artigo, disse que esse uso representa apenas uma pequena proporção do que é usado.
“O ácido acético no vinagre precisa vir de fontes biológicas por meio da fermentação porque é consumido por humanos”, disse Wicks. “Mas cerca de 90% do mercado de ácido acético é para matéria-prima na fabricação de tintas, revestimentos, adesivos e outros produtos. A produção nessa escala é derivada principalmente do metanol, que vem de combustíveis fósseis.”
Os bancos de dados de avaliação do ciclo de vida mostraram à equipe que, para cada quilo de ácido acético produzido a partir do metanol, o processo libera 1,6 kg de CO2.
Seu método alternativo ocorre por meio de um processo de duas etapas: primeiro, CO gasoso capturado2 passa por um eletrolisador, onde reage com água e elétrons para formar monóxido de carbono (CO). O CO gasoso é então passado por um segundo eletrolisador, onde outro catalisador o transforma em várias moléculas contendo dois ou mais átomos de carbono.
“Um grande desafio que enfrentamos é a seletividade”, disse Wicks. “A maioria dos catalisadores usados para esta segunda etapa facilita múltiplas reações simultâneas, o que leva a uma mistura de diferentes produtos de dois carbonos que podem ser difíceis de separar e purificar. O que tentamos fazer aqui foi criar condições que favoreçam um produto acima todos os outros.”
Vinayak Dravid, outro autor sênior do artigo e professor Abraham Harris de Ciência e Engenharia de Materiais, é o diretor fundador do Centro de Caracterização Atômica e Nanoescala da Northwestern University (NUANCE), que permitiu à equipe acessar diversos recursos para análise atômica e eletrônica -medidas em escala de materiais.
“Problemas de pesquisa modernos são complexos e multifacetados e requerem recursos diversificados, mas integrados, para analisar materiais até a escala atômica”, disse Dravid. “Colegas como Ted nos apresentam problemas desafiadores que estimulam nossa criatividade para desenvolver novas ideias e métodos inovadores de caracterização.”
A análise da equipe mostrou que usar uma proporção muito menor de cobre (aproximadamente 1%) em comparação com os catalisadores anteriores favoreceria a produção apenas de ácido acético. Também mostrou que elevar a pressão para 10 atmosferas permitiria que a equipe alcançasse uma eficiência recorde.
No artigo, a equipe relata uma eficiência farádica de 91%, o que significa que 91 de cada 100 elétrons bombeados para os eletrolisadores acabam no produto desejado – neste caso, o ácido acético.
“Essa é a maior eficiência farádica para qualquer produto multi-carbono em uma densidade de corrente escalável que vimos relatada”, disse Wicks. “Por exemplo, os catalisadores direcionados ao etileno normalmente atingem um máximo de 70% a 80%, então somos significativamente mais altos do que isso.”
O novo catalisador também parece ser relativamente estável: enquanto a eficiência farádica de alguns catalisadores tende a se degradar com o tempo, a equipe mostrou que ela permaneceu em um nível alto de 85% mesmo após 820 horas de operação.
Wicks espera que os elementos que levaram ao sucesso da equipe – incluindo um novo produto-alvo, uma pressão de reação ligeiramente aumentada e uma menor proporção de cobre no catalisador – inspirem outras equipes a pensar fora da caixa.
“Algumas dessas abordagens vão contra a sabedoria convencional nesse campo, mas mostramos que elas podem funcionar muito bem”, disse ele. “Em algum momento, teremos que descarbonizar todos os elementos da indústria química, então quanto mais caminhos diferentes tivermos para produtos úteis, seja etanol, propileno ou ácido acético, melhor.”
A pesquisa foi financiada pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da China (número de concessão 2022YFC2106000, 2022YFA1505100 e 2020YFA0715000), Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (números de concessão 11874164, 52006085, BE3250011, 52127816, 5183200 4, 51972129 e 52272202) e Fundo de Inovação do Laboratório Nacional de Wuhan para Optoeletrônica. Também está apoiando a China Postdoctoral Science Foundation (números de concessão 2019TQ0104 e 2020M672343), a) e a Shanghai Jiao Tong University (número de concessão WH220432516). O programa Discovery do Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia do Canadá (NSERC) (número de concessão RGPIN-2017-06477) e o Fundo de Pesquisa de Ontário (número de concessão ORF-RE08-034) forneceram financiamento. Finalmente, o Marsden Fund Council for Government funding (concessão número 21-UOA-237) e o Catalyst: Seeding General Grant (concessão número 22-UOA-031-CGS), gerido pela Royal Society Te Ap?rangi financiou a pesquisa.
Este trabalho fez uso da instalação EPIC do NUANCE Center da Northwestern University, que recebeu apoio do SHyNE Resource (número de concessão NSF ECCS-2025633), do IIN e do programa MRSEC da Northwestern (número de concessão NSF DMR-1720139).
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