E se pudéssemos reativar o dióxido de carbono residual?
A KIMS e a KAIST desenvolveram um processo de síntese de catalisadores e uma tecnologia de controlo de precisão para maximizar a eficiência da conversão do dióxido de carbono.
À medida que a gravidade das alterações climáticas e das emissões de carbono se torna uma preocupação global, são urgentemente necessárias tecnologias para converter o dióxido de carbono (CO₂) em recursos como combustíveis e compostos químicos. A equipa de investigação do Dr. Dahee Park, da Divisão de Investigação de Nanomateriais do Instituto de Ciência dos Materiais da Coreia (KIMS), colaborou com a equipa do Professor Jeong-Young Park, do Departamento de Química do KAIST, para desenvolver uma tecnologia de catalisadores que aumenta significativamente a eficiência da conversão de dióxido de carbono (CO₂).
As tecnologias convencionais de conversão de dióxido de carbono (CO2) têm enfrentado desafios na comercialização devido à sua baixa eficiência em relação ao elevado consumo de energia. Em particular, os catalisadores de átomo único (SACs) sofrem de processos de síntese complexos e dificuldades em manter uma ligação estável com suportes de óxido metálico, que são cruciais para estabilizar as partículas do catalisador e aumentar a sua durabilidade. Como resultado, o desempenho destes catalisadores tem sido limitado.
Para ultrapassar estas limitações, a equipa de investigação desenvolveu tecnologias de catalisadores de um e dois átomos únicos (DSAC) e introduziu um processo simplificado para aumentar a eficiência do catalisador. Este feito utiliza interações eletrónicas entre metais nos catalisadores de duplo átomo único (DSACs), alcançando taxas de conversão mais elevadas e uma excelente seletividade (a capacidade de um catalisador para dirigir a produção dos produtos desejados) em comparação com as tecnologias existentes.
Esta tecnologia envolve uma abordagem de conceção do catalisador que controla com precisão as lacunas de oxigénio e as estruturas defeituosas nos suportes de óxido metálico, aumentando significativamente a eficiência e a seletividade das reações de conversão do dióxido de carbono (CO₂). As vacâncias de oxigénio facilitam a adsorção de CO2 na superfície do catalisador, enquanto os catalisadores de átomo único e duplo auxiliam na adsorção de hidrogénio (H₂). A ação combinada de vacâncias de oxigénio, átomos simples e átomos duplos simples permite a conversão eficaz de CO₂ com H₂ em compostos desejados. Em particular, os catalisadores de duplo átomo único (DSAC) utilizam interações eletrónicas entre dois átomos metálicos para regular ativamente a via de reação e maximizar a eficiência.
A equipa de investigação aplicou o método de pirólise por pulverização assistida por aerossóis para sintetizar catalisadores através de um processo simplificado, demonstrando também o seu potencial para a produção em massa. Este processo envolve a transformação de materiais líquidos em aerossóis (partículas finas semelhantes a névoa) e a sua introdução numa câmara aquecida, onde o catalisador é formado sem a necessidade de etapas intermédias complexas. Este método permite a dispersão uniforme dos átomos de metal no suporte de óxido metálico e o controlo preciso das estruturas defeituosas. Ao controlar com precisão estas estruturas de defeitos, a equipa conseguiu formar de forma estável catalisadores de um e dois átomos (DSAC). Tirando partido dos DSAC, reduziram a utilização de catalisadores de átomo único em cerca de 50%, conseguindo simultaneamente mais do dobro da eficiência de conversão de CO₂ em comparação com os métodos convencionais e uma seletividade excecionalmente elevada de mais de 99%.
Esta tecnologia pode ser aplicada em vários domínios, incluindo a síntese de combustíveis químicos, a produção de hidrogénio e a indústria das energias limpas. Além disso, a simplicidade e a elevada eficiência de produção do método de síntese do catalisador (pirólise por pulverização assistida por aerossol) tornam-no altamente promissor para comercialização.
Dahee Park, o investigador principal, declarou: “esta tecnologia representa um feito significativo na melhoria drástica do desempenho dos catalisadores de conversão de CO₂, permitindo simultaneamente a comercialização através de um processo simplificado. Espera-se que sirva como uma tecnologia central para alcançar a neutralidade do carbono”. Jeong-Young Park do KAIST acrescentou: “esta investigação fornece um método relativamente simples para sintetizar um novo tipo de catalisador de átomo único que pode ser utilizado em várias recções químicas. Oferece também uma base crucial para o desenvolvimento de catalisadores de decomposição e utilização de CO₂, que é uma das áreas de investigação mais urgentes para combater o aquecimento global causado pelos gases com efeito de estufa.”
Esta investigação foi realizada com o apoio dos principais projetos do Instituto Coreano de Ciência dos Materiais, bem como com o financiamento do Ministério da Ciência e TIC, do Ministério do Comércio, Indústria e Energia e do Conselho Nacional de Investigação em Ciência e Tecnologia. Os resultados foram publicados online na Applied Catalysis B: Environmental and Energy (JCR Top 1%, Fator de Impacto: 20,3), uma revista de prestígio nos domínios da catálise e da energia.
