Um mineral do solo amplamente distribuído, o oxihidróxido de α-ferro(III), foi identificado como um catalisador reciclável para a fotorredução de dióxido de carbono a ácido fórmico. Crédito: Prof. Kazuhiko Maeda
A fotorredução de CO2 em combustíveis transportáveis, como o ácido fórmico (HCOOH), é uma boa maneira de combater os crescentes níveis de CO2 na atmosfera. Para auxiliar nessa tarefa, uma equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio selecionou um mineral à base de ferro facilmente disponível e o depositou sobre um suporte de alumina para desenvolver um catalisador capaz de converter CO2 em HCOOH de forma eficiente, com seletividade de cerca de 90%!
Os veículos elétricos são uma opção atraente para muitas pessoas, e um dos principais motivos é que não emitem carbono. Uma grande desvantagem para muitos, no entanto, é a autonomia limitada e o longo tempo de carregamento. É aí que os combustíveis líquidos, como a gasolina, levam grande vantagem. Sua alta densidade energética proporciona maior autonomia e reabastecimento rápido.
A substituição da gasolina ou do diesel por um combustível líquido diferente pode eliminar as emissões de carbono, mantendo as vantagens dos combustíveis líquidos. Em uma célula de combustível, por exemplo, o ácido fórmico pode alimentar um motor, liberando água e dióxido de carbono. No entanto, se o ácido fórmico for produzido pela redução do CO2 atmosférico a HCOOH, o único produto líquido será água.
O aumento dos níveis de dióxido de carbono na atmosfera e sua contribuição para o aquecimento global já são notícias comuns. À medida que os pesquisadores experimentavam diferentes abordagens para o problema, surgiu uma solução eficaz: transformar o excesso de dióxido de carbono na atmosfera em substâncias químicas ricas em energia.
A produção de combustíveis como o ácido fórmico (HCOOH) por meio da fotorredução do CO2 sob a luz solar tem atraído muita atenção recentemente, pois o processo apresenta um duplo benefício: reduz o excesso de emissões de CO2 e também ajuda a minimizar a escassez de energia que enfrentamos atualmente. Como um excelente vetor para hidrogênio com alta densidade energética, o HCOOH pode fornecer energia por meio da combustão, liberando apenas água como subproduto.
Para tornar essa solução lucrativa uma realidade, os cientistas desenvolveram sistemas fotocatalíticos que reduzem o dióxido de carbono com a ajuda da luz solar. Esse sistema consiste em um substrato que absorve luz (ou seja, um fotossensibilizador) e um catalisador que possibilita a transferência de múltiplos elétrons necessária para a redução do CO₂ a HCOOH. E assim começou a busca por catalisadores adequados e eficientes!
Redução fotocatalítica de dióxido de carbono usando infográficos de compostos comuns. Crédito: Professor Kazuhiko Maeda
Devido à sua eficiência e potencial de reciclagem, os catalisadores sólidos são considerados os melhores candidatos para esta tarefa e, ao longo dos anos, as capacidades catalíticas de muitas estruturas metalorgânicas (MOFs) à base de cobalto, manganês, níquel e ferro têm sido exploradas, entre as quais o ferro apresenta algumas vantagens sobre outros metais. No entanto, a maioria dos catalisadores à base de ferro relatados até o momento produz apenas monóxido de carbono como principal produto, e não HCOOH.
No entanto, esse problema foi rapidamente resolvido por uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), liderada pelo professor Kazuhiko Maeda. Em um estudo recente publicado na revista de química Angewandte Chemie, a equipe demonstrou um catalisador à base de ferro suportado em alumina (Al₂O₃) usando oxihidróxido de ferro(III) α (α-FeO₂OH; goethita). O novo catalisador α-FeO₂OH/Al₂O₃ apresenta excelente desempenho na conversão de CO₂ em HCOOH e excelente reciclabilidade. Quando questionado sobre a escolha do catalisador, o professor Maeda disse: “Queremos explorar elementos mais abundantes como catalisadores em sistemas de fotorredução de CO₂. Precisamos de um catalisador sólido que seja ativo, reciclável, não tóxico e barato. É por isso que escolhemos minerais do solo amplamente distribuídos, como a goethita, para nossos experimentos.”
A equipe empregou um método simples de impregnação para sintetizar seu catalisador. Em seguida, usaram materiais de Al2O3 suportados em ferro para reduzir fotocataliticamente o CO2 à temperatura ambiente na presença de um fotossensibilizador à base de rutênio (Ru), doador de elétrons e luz visível com comprimentos de onda acima de 400 nanômetros.
Os resultados são muito encorajadores. A seletividade do sistema para o principal produto, HCOOH, foi de 80–90%, com um rendimento quântico de 4,3% (indicando a eficiência do sistema).
Este estudo apresenta um catalisador sólido à base de ferro, o primeiro do seu tipo, capaz de gerar HCOOH quando combinado com um fotossensibilizador eficiente. Também discute a importância de um material de suporte adequado (Al2O3) e seu efeito na reação de redução fotoquímica.
Os resultados desta pesquisa podem ajudar no desenvolvimento de novos catalisadores sem metais nobres para a fotorredução do dióxido de carbono em outros produtos químicos úteis. "Nossa pesquisa mostra que o caminho para uma economia de energia verde não é complicado. Mesmo métodos simples de preparação de catalisadores podem produzir ótimos resultados, e é sabido que compostos abundantes na Terra, se suportados por compostos como alumina, podem ser usados ​​como catalisadores seletivos para a redução de CO2", conclui o Prof. Maeda.
Referências: “Oxi-hidróxido de alfa-ferro (III) suportado por alumina como um catalisador sólido reciclável para fotorredução de CO2 sob luz visível” por Daehyeon An, Dr. 12 de maio de 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
“É aí que os combustíveis líquidos, como a gasolina, têm uma grande vantagem. Sua alta densidade energética significa maior autonomia e reabastecimento rápido.”
Que tal alguns números? Como a densidade energética do ácido fórmico se compara à da gasolina? Com ​​apenas um átomo de carbono na fórmula química, duvido que chegue perto da gasolina.
Além disso, o cheiro é muito tóxico e, por ser um ácido, é mais corrosivo que a gasolina. Esses não são problemas de engenharia insolúveis, mas, a menos que o ácido fórmico ofereça vantagens significativas no aumento da autonomia e na redução do tempo de recarga da bateria, provavelmente não vale a pena o esforço.
Se planejassem extrair goethita do solo, seria uma operação de mineração com alto consumo de energia e potencialmente prejudicial ao meio ambiente.
Eles podem mencionar uma grande quantidade de goethita no solo, pois suspeito que seria necessário mais energia para obter as matérias-primas necessárias e reagir com elas para sintetizar a goethita.
É necessário analisar todo o ciclo de vida do processo e calcular o custo energético de cada etapa. A NASA descobriu que não existe lançamento gratuito. Outros precisam levar isso em consideração.
SciTechDaily: O melhor site de notícias de tecnologia desde 1998. Mantenha-se atualizado com as últimas novidades do setor por e-mail ou redes sociais.
Só de pensar nos sabores defumados e irresistíveis do churrasco, a maioria das pessoas já fica com água na boca. O verão chegou e, para muitos…