Nanotecnologia agora - comunicado à imprensa: combinação catalítica converte CO2 em nanofibras de carbono sólido: a conversão eletrocatalítica-termocatalítica em tandem pode ajudar a compensar as emissões de potentes gases de efeito estufa, bloqueando o carbono em um material útil

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Os cientistas desenvolveram uma estratégia para converter o dióxido de carbono (CO2) da atmosfera em valiosas nanofibras de carbono. O processo usa reações eletrocatalíticas em tandem (anel azul) e termocatalíticas (anel laranja) para converter o CO2 (moléculas azul-petróleo e prata) mais água (roxo e verde-azulado) em nanofibras de carbono "fixas" (prata), produzindo gás hidrogênio (H2, roxo ) como um subproduto benéfico. As nanofibras de carbono poderiam ser usadas para fortalecer materiais de construção como o cimento e reter o carbono durante décadas. CRÉDITO (Zhenhua Xie/Laboratório Nacional de Brookhaven e Universidade de Columbia; Erwei Huang/Laboratório Nacional de Brookhaven)

Scientists have devised a strategy for converting carbon dioxide (CO2) from the atmosphere into valuable carbon nanofibers. The process uses tandem electrocatalytic (blue ring) and thermocatalytic (orange ring) reactions to convert the CO2 (teal and silver molecules) plus water (purple and teal) into “fixed” carbon nanofibers (silver), producing hydrogen gas (H2, purple) as a beneficial byproduct. The carbon nanofibers could be used to strengthen building materials such as cement and lock away carbon for decades.

CRÉDITO
(Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory and Columbia University; Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory)

Abstrato:
Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Columbia desenvolveram uma maneira de converter dióxido de carbono (CO2), um potente gás de efeito estufa, em nanofibras de carbono, materiais com uma ampla gama de propriedades únicas e muitos potenciais de longa duração. usos do termo. Sua estratégia usa reações eletroquímicas e termoquímicas em tandem executadas em temperaturas e pressão ambiente relativamente baixas. Tal como os cientistas descrevem na revista Nature Catalysis, esta abordagem poderia reter com sucesso o carbono numa forma sólida útil para compensar ou mesmo alcançar emissões negativas de carbono.

A combinação catalítica converte CO2 em nanofibras de carbono sólidas: a conversão eletrocatalítica-termocatalítica em tandem poderia ajudar a compensar as emissões de potentes gases de efeito estufa, prendendo o carbono em um material útil

Upton, Nova York | Postado em 12 de janeiro de 2024

“Você pode colocar nanofibras de carbono no cimento para fortalecê-lo”, disse Jingguang Chen, professor de engenharia química na Columbia com nomeação conjunta no Brookhaven Lab, que liderou a pesquisa. “Isso iria reter o carbono no concreto por pelo menos 50 anos, potencialmente mais. Até então, o mundo deveria mudar para fontes de energia principalmente renováveis que não emitem carbono.”

Como bônus, o processo também produz gás hidrogênio (H2), um combustível alternativo promissor que, quando utilizado, gera zero emissões.

Capturar ou converter carbono
A ideia de capturar CO2 ou convertê-lo noutros materiais para combater as alterações climáticas não é nova. Mas o simples armazenamento de gás CO2 pode causar vazamentos. E muitas conversões de CO2 produzem produtos químicos ou combustíveis à base de carbono que são utilizados imediatamente, o que liberta CO2 de volta para a atmosfera.

“A novidade deste trabalho é que estamos tentando converter o CO2 em algo com valor agregado, mas de forma sólida e útil”, disse Chen.

Esses materiais sólidos de carbono – incluindo nanotubos de carbono e nanofibras com dimensões que medem bilionésimos de metro – têm muitas propriedades atraentes, incluindo resistência e condutividade térmica e elétrica. Mas não é uma questão simples extrair carbono do dióxido de carbono e fazê-lo reunir-se nestas estruturas de pequena escala. Um processo direto movido por calor requer temperaturas superiores a 1,000 graus Celsius.

“É muito irrealista a mitigação de CO2 em grande escala”, disse Chen. “Em contraste, encontramos um processo que pode ocorrer a cerca de 400 graus Celsius, que é uma temperatura muito mais prática e alcançável industrialmente.”

O tandem de duas etapas
O truque foi dividir a reação em estágios e usar dois tipos diferentes de catalisadores – materiais que facilitam a união e a reação das moléculas.

“Se você dissociar a reação em várias etapas de sub-reação, poderá considerar o uso de diferentes tipos de entrada de energia e catalisadores para fazer cada parte da reação funcionar”, disse o cientista pesquisador do Brookhaven Lab e da Columbia, Zhenhua Xie, principal autor do artigo.

Os cientistas começaram por perceber que o monóxido de carbono (CO) é um material de partida muito melhor do que o CO2 para a produção de nanofibras de carbono (CNF). Depois voltaram atrás para encontrar a forma mais eficiente de gerar CO a partir do CO2.

Trabalhos anteriores de seu grupo os orientaram a usar um eletrocatalisador comercialmente disponível feito de paládio suportado em carbono. Os eletrocatalisadores conduzem reações químicas usando uma corrente elétrica. Na presença de elétrons e prótons fluindo, o catalisador divide o CO2 e a água (H2O) em CO e H2.

Para a segunda etapa, os cientistas recorreram a um termocatalisador ativado por calor feito de uma liga de ferro-cobalto. Ele opera em temperaturas em torno de 400 graus Celsius, significativamente mais amenas do que exigiria uma conversão direta de CO2 em CNF. Eles também descobriram que adicionar um pouco de cobalto metálico extra aumenta muito a formação de nanofibras de carbono.

“Ao acoplar a eletrocatálise e a termocatálise, estamos usando esse processo tandem para alcançar coisas que não podem ser alcançadas apenas por nenhum dos processos”, disse Chen.

Caracterização do catalisador
Para descobrir os detalhes de como esses catalisadores funcionam, os cientistas conduziram uma ampla gama de experimentos. Isso incluiu estudos de modelagem computacional, estudos de caracterização física e química na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II (NSLS-II) do Brookhaven Lab - usando linhas de luz de Absorção e Dispersão Rápida de Raios-X (QAS) e Espectroscopia de Concha Interna (ISS) - e imagens microscópicas nas instalações de Microscopia Eletrônica do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório.

Na frente de modelagem, os cientistas usaram cálculos da “teoria do funcional da densidade” (DFT) para analisar os arranjos atômicos e outras características dos catalisadores ao interagir com o ambiente químico ativo.

“Estamos analisando as estruturas para determinar quais são as fases estáveis do catalisador sob condições de reação”, explicou o coautor do estudo, Ping Liu, da Divisão de Química de Brookhaven, que liderou esses cálculos. “Estamos analisando os sítios ativos e como esses sítios se ligam aos intermediários da reação. Ao determinar as barreiras, ou estados de transição, de uma etapa para outra, aprendemos exatamente como o catalisador está funcionando durante a reação.”

Os experimentos de difração de raios X e absorção de raios X no NSLS-II rastrearam como os catalisadores mudam física e quimicamente durante as reações. Por exemplo, raios X síncrotron revelaram como a presença de corrente elétrica transforma o paládio metálico no catalisador em hidreto de paládio, um metal essencial para a produção de H2 e CO na primeira etapa da reação.

Para a segunda etapa, “queríamos saber qual é a estrutura do sistema ferro-cobalto sob condições de reação e como otimizar o catalisador ferro-cobalto”, disse Xie. Os experimentos de raios X confirmaram que tanto uma liga de ferro e cobalto quanto algum cobalto metálico extra estão presentes e são necessários para converter CO em nanofibras de carbono.

“Os dois trabalham juntos sequencialmente”, disse Liu, cujos cálculos DFT ajudaram a explicar o processo.

“De acordo com nosso estudo, os locais de ferro-cobalto na liga ajudam a quebrar as ligações CO do monóxido de carbono. Isso torna o carbono atômico disponível para servir como fonte para a construção de nanofibras de carbono. Então, o cobalto extra existe para facilitar a formação das ligações CC que ligam os átomos de carbono”, explicou ela.

Pronto para reciclagem, carbono negativo
“A análise de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) conduzida no CFN revelou as morfologias, estruturas cristalinas e distribuições elementares dentro das nanofibras de carbono com e sem catalisadores”, disse o cientista do CFN e coautor do estudo, Sooyeon Hwang.

As imagens mostram que, à medida que as nanofibras de carbono crescem, o catalisador é empurrado para cima e para longe da superfície. Isso facilita a reciclagem do metal catalítico, disse Chen.

“Usamos ácido para lixiviar o metal sem destruir a nanofibra de carbono, para que possamos concentrar os metais e reciclá-los para serem usados novamente como catalisadores”, disse ele.

Esta facilidade de reciclagem do catalisador, a disponibilidade comercial dos catalisadores e as condições de reação relativamente suaves para a segunda reação contribuem para uma avaliação favorável da energia e outros custos associados ao processo, disseram os pesquisadores.

“Para aplicações práticas, ambos são realmente importantes – a análise da pegada de CO2 e a reciclabilidade do catalisador”, disse Chen. “Nossos resultados técnicos e essas outras análises mostram que esta estratégia conjunta abre uma porta para a descarbonização do CO2 em valiosos produtos de carbono sólido, ao mesmo tempo em que produz H2 renovável.”

Se estes processos forem impulsionados por energias renováveis, os resultados seriam verdadeiramente negativos em termos de carbono, abrindo novas oportunidades para a mitigação de CO2.

Esta pesquisa foi apoiada pelo DOE Office of Science (BES). Os cálculos DFT foram realizados usando recursos computacionais no CFN e no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE. NSLS-II, CFN e NERSC são instalações de usuários do DOE Office of Science.

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Sobre o DOE/Laboratório Nacional Brookhaven
O Laboratório Nacional de Brookhaven é apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. O Office of Science é o maior apoiante da investigação básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está a trabalhar para enfrentar alguns dos desafios mais prementes do nosso tempo. Para obter mais informações, visite science.energy.gov.

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Fonte: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57440