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Superando desafios na conversão do dióxido de carbono
Se os pesquisadores pudessem encontrar uma maneira de converter quimicamente o dióxido de carbono em combustíveis ou outros produtos, poderia ser causado um grande impacto nas emissões de gases de efeito estufa. Mas muitos desses processos que pareciam promissores no laboratório não tiveram o desempenho esperado em aplicações reais, em que seriam adequados para uso como usinas de energia, por exemplo.
Recentemente, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, identificaram, quantificaram e modelaram uma das principais razões para o baixo desempenho em tais sistemas de conversão. O culpado acaba por ser um esgotamento local do gás dióxido de carbono do lado dos eletrodos que estão sendo usados para catalisar a conversão. O problema pode ser aliviado, descobriu a equipe, simplesmente pulsando a corrente em intervalos específicos, dando tempo para que o gás volte aos níveis necessários no lado do eletrodo.
As descobertas, que podem estimular o progresso no desenvolvimento de uma variedade de materiais e projetos para sistemas eletroquímicos de conversão de dióxido de carbono, foram publicadas na revista científica Langmuir, em um artigo do pós-doutorando do MIT Álvaro Moreno Soto, do doutorando Jack Lake e do professor de Engenharia Mecânica Dr. Kripa Varanasi.
“A mitigação do dióxido de carbono é, eu acho, um dos desafios importantes do nosso tempo”, disse o professor Varanasi. Embora grande parte da pesquisa na área tenha se concentrado na captura e sequestro de carbono, em que o gás é bombeado para algum tipo de reservatório subterrâneo profundo ou convertido em um sólido inerte, como o calcário, outro caminho promissor tem sido a conversão do gás em outros compostos de carbono, como metano ou etanol, para serem usados como combustível, ou etileno, que serve como precursor de polímeros úteis.
Existem várias maneiras de fazer tais conversões, incluindo processos eletroquímicos, termocatalíticos, fototérmicos ou fotoquímicos. “Cada um deles tem problemas ou desafios”, destacou o professor Varanasi. Os processos térmicos exigem temperaturas muito altas e não produzem produtos químicos de alto valor agregado, o que também é um desafio para os processos ativados por luz. “A eficiência está sempre em jogo, sempre é um problema”, disse o pesquisador.
A equipe se concentrou nas abordagens eletroquímicas, com o objetivo de obter “produtos com alto teor de C” – compostos que contêm mais átomos de carbono e tendem a ser combustíveis de maior valor devido à sua energia por peso ou volume. Nessas reações, o maior desafio tem sido conter reações concorrentes que podem ocorrer ao mesmo tempo, especialmente a divisão de moléculas de água em oxigênio e hidrogênio.
As reações ocorrem quando uma corrente de eletrólito líquido com o dióxido de carbono dissolvido nele passa sobre uma superfície catalítica metálica que é eletricamente carregada. Mas à medida que o dióxido de carbono é convertido, ele deixa para trás uma região no fluxo de eletrólitos onde foi essencialmente usado, e assim a reação dentro dessa zona esgotada se transforma em divisão da água. Essa reação indesejada consome energia e reduz bastante a eficiência geral do processo de conversão, descobriram os pesquisadores.
“Há vários grupos trabalhando nisso e vários catalisadores disponíveis. Em todas essas alternativas, acho que a coevolução do hidrogênio se torna um gargalo”, disse o professor.
Uma maneira de neutralizar esse esgotamento pode ser alcançada por um sistema pulsado – um ciclo de simplesmente desligar a tensão elétrica, interromper a reação e dar tempo ao dióxido de carbono para se espalhar de volta para a zona esgotada e atingir níveis utilizáveis novamente, e em seguida, retomar a reação.
Muitas vezes, dizem os pesquisadores, os grupos encontraram materiais catalisadores promissores, mas não realizaram seus testes de laboratório por tempo suficiente para observar esses efeitos de depleção e, portanto, ficaram frustrados ao tentar ampliar a escala de seus sistemas. Além disso, a concentração de dióxido de carbono próxima ao catalisador determina os produtos que são feitos. Assim, o esgotamento também pode alterar o mix de produtos que são produzidos e pode tornar o processo não confiável. “Se você quer ser capaz de fazer um sistema que funcione em escala industrial, você precisa ser capaz de executar as coisas por um longo período de tempo e não pode ter esses efeitos que reduzem a eficiência ou confiabilidade do processo”, enfatizou o professor Varanasi.
Em seus testes, os pesquisadores usaram ferramentas analíticas mais sofisticadas para caracterizar os produtos da reação, incluindo cromatografia gasosa para análise dos produtos gasosos e caracterização por ressonância magnética nuclear para os produtos líquidos do sistema. Mas a análise mostrou que a simples medição de pH do eletrólito próximo ao eletrodo durante a operação pode fornecer uma medida suficiente da eficiência da reação à medida que ela avança.
“Essa capacidade de monitorar facilmente a reação em tempo real pode levar a um sistema otimizado por métodos de aprendizado de máquina, controlando a taxa de produção dos compostos desejados por meio de realimentação contínua”, disse o Dr. Álvaro Moreno Soto.
Agora que o processo está entendido e quantificado, outras abordagens para mitigar o esgotamento de dióxido de carbono podem ser desenvolvidas e podem ser facilmente testadas usando os métodos validados.
Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).
Acesse a notícia completa na página do MIT (em inglês).
Fonte: MIT News Office.
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