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Químicos têm trabalhado para sintetizar materiais de alto valor a partir de moléculas de resíduos por anos. Agora, uma colaboração internacional de cientistas está explorando maneiras de usar eletricidade para agilizar o processo.
Em seu estudo, publicado recentemente em Catálise da Naturezapesquisadores demonstraram que o dióxido de carbono, um gás de efeito estufa, pode ser convertido em um tipo de combustível líquido chamado metanol de maneira altamente eficiente.
Esse processo aconteceu pegando moléculas de ftalocianina de cobalto (CoPc) e espalhando-as uniformemente em nanotubos de carbono, tubos semelhantes ao grafeno que têm propriedades elétricas únicas. Em sua superfície havia uma solução eletrolítica que, ao passar uma corrente elétrica por ela, permitiu que as moléculas de CoPc pegassem elétrons e os usassem para transformar dióxido de carbono em metanol.
Usando um método especial baseado em espectroscopia in-situ para visualizar a reação química, os pesquisadores pela primeira vez viram essas moléculas se converterem em metanol ou monóxido de carbono, que não é o produto desejado. Eles descobriram que o caminho que a reação toma é decidido pelo ambiente onde a molécula de dióxido de carbono reage.
Ajustar esse ambiente controlando como o catalisador CoPc foi distribuído na superfície do nanotubo de carbono permitiu que o dióxido de carbono tivesse até oito vezes mais probabilidade de produzir metanol, uma descoberta que pode aumentar a eficiência de outros processos catalíticos e ter um impacto generalizado em outros campos, disse Robert Baker, coautor do estudo e professor de química e bioquímica na Universidade Estadual de Ohio.
“Quando você pega dióxido de carbono e o converte em outro produto, há muitas moléculas diferentes que você pode fazer”, ele disse. “O metanol é definitivamente um dos mais desejáveis porque tem uma densidade de energia tão alta e pode ser usado diretamente como um combustível alternativo.”
Embora transformar moléculas de resíduos em produtos úteis não seja um fenômeno novo, até agora, os pesquisadores muitas vezes não conseguiam observar como a reação realmente ocorre, uma visão crucial para otimizar e melhorar o processo.
“Podemos otimizar empiricamente como algo funciona, mas não temos realmente uma compreensão do que o faz funcionar, ou o que faz um catalisador funcionar melhor do que outro catalisador”, disse Baker, que é especialista em química de superfície, o estudo de como as reações químicas mudam quando ocorrem na face de objetos diferentes. “Essas são coisas muito difíceis de responder.”
Mas com a ajuda de técnicas especiais e modelagem computacional, a equipe chegou significativamente mais perto de compreender o complexo processo. Neste estudo, os pesquisadores usaram um novo tipo de espectroscopia vibracional, que lhes permitiu ver como as moléculas se comportam na superfície, disse Quansong Zhu, o principal autor do estudo e ex-acadêmico presidencial do estado de Ohio, cujas medições desafiadoras foram vitais para a descoberta.
“Nós poderíamos dizer por suas assinaturas vibracionais que era a mesma molécula sentada em dois ambientes de reação diferentes”, disse Zhu. “Nós fomos capazes de correlacionar que um desses ambientes de reação era responsável pela produção de metanol, que é um combustível líquido valioso.”
De acordo com o estudo, uma análise mais aprofundada também descobriu que essas moléculas estavam interagindo diretamente com partículas supercarregadas chamadas cátions, que melhoravam o processo de formação de metanol.
Mais pesquisas são necessárias para aprender mais sobre o que mais esses cátions possibilitam, mas tal descoberta é essencial para alcançar uma maneira mais eficiente de criar metanol, disse Baker.
“Estamos vendo sistemas que são muito importantes e aprendendo coisas sobre eles que têm sido questionadas há muito tempo”, disse Baker. “Entender a química única que acontece em um nível molecular é realmente importante para habilitar essas aplicações.”
Além de ser um combustível de baixo custo para veículos como aviões, carros e barcos, o metanol produzido a partir de eletricidade renovável também pode ser utilizado para aquecimento e geração de energia, além de promover futuras descobertas químicas.
“Há muitas coisas empolgantes que podem vir a seguir com base no que aprendemos aqui, e algumas delas já estamos começando a fazer juntos”, disse Baker. “O trabalho está em andamento.”
Os coautores incluem Conor L. Rooney e Hailiang Wang da Universidade de Yale, Hadar Shema e Elad Gross da Universidade Hebraica, e Christina Zeng e Julien A. Panetier da Universidade de Binghamton. Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation e pela United States-Israel Binational Science Foundation (BSF) International Collaboration.
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