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O dióxido de carbono (CO2) é um recurso essencial para a vida na Terra e, ao mesmo tempo, um gás de efeito estufa que contribui para o aquecimento global. Atualmente, os cientistas estudam o dióxido de carbono como um recurso promissor para a produção de combustíveis renováveis ​​de baixo carbono e de produtos químicos de alto valor agregado.
O desafio para os pesquisadores é identificar maneiras eficientes e economicamente viáveis ​​de converter dióxido de carbono em intermediários de carbono de alta qualidade, como monóxido de carbono, metanol ou ácido fórmico.
Uma equipe de pesquisa liderada por KK Neuerlin, do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL), e colaboradores do Laboratório Nacional de Argonne e do Laboratório Nacional de Oak Ridge, encontrou uma solução promissora para esse problema. A equipe desenvolveu um método de conversão para produzir ácido fórmico a partir de dióxido de carbono usando eletricidade renovável com alta eficiência energética e durabilidade.
O estudo, intitulado "Arquitetura escalável de conjunto de eletrodo de membrana para conversão eletroquímica eficiente de dióxido de carbono em ácido fórmico", foi publicado na revista Nature Communications.
O ácido fórmico é um intermediário químico potencial com uma ampla gama de aplicações, especialmente como matéria-prima nas indústrias química e biológica. O ácido fórmico também foi identificado como matéria-prima para biorrefino em combustível de aviação limpo.
A eletrólise do CO2 resulta na redução do CO2 a intermediários químicos, como o ácido fórmico, ou a moléculas como o etileno, quando uma diferença de potencial elétrico é aplicada à célula eletrolítica.
O conjunto membrana-eletrodo (MEA) em um eletrolisador normalmente consiste em uma membrana condutora de íons (membrana de troca catiônica ou aniônica) intercalada entre dois eletrodos compostos por um eletrocatalisador e um polímero condutor de íons.
Utilizando a experiência da equipe em tecnologias de células a combustível e eletrólise de hidrogênio, eles estudaram diversas configurações de MEA (conjunto membrana-eletrodo) em células eletrolíticas para comparar a redução eletroquímica de CO2 a ácido fórmico.
Com base na análise de falhas de diversos projetos, a equipe buscou explorar as limitações dos conjuntos de materiais existentes, particularmente a falta de rejeição de íons nas membranas de troca aniônica atuais, e simplificar o projeto geral do sistema.
A invenção de KS Neierlin e Leiming Hu do NREL foi um eletrolisador MEA aprimorado que utiliza uma nova membrana de troca catiônica perfurada. Essa membrana perfurada proporciona uma produção consistente e altamente seletiva de ácido fórmico e simplifica o projeto ao utilizar componentes disponíveis no mercado.
“Os resultados deste estudo representam uma mudança de paradigma na produção eletroquímica de ácidos orgânicos, como o ácido fórmico”, disse o coautor Neierlin. “A estrutura de membrana perfurada reduz a complexidade dos projetos anteriores e também pode ser usada para melhorar a eficiência energética e a durabilidade de outros dispositivos eletroquímicos de conversão de dióxido de carbono.”
Como em qualquer descoberta científica, é importante compreender os fatores de custo e a viabilidade econômica. Trabalhando em conjunto com outros departamentos, os pesquisadores do NREL, Zhe Huang e Tao Ling, apresentaram uma análise técnico-econômica que identifica maneiras de alcançar a paridade de custos com os processos industriais atuais de produção de ácido fórmico quando o custo da eletricidade renovável for igual ou inferior a 2,3 centavos de dólar por quilowatt-hora.
“A equipe alcançou esses resultados usando catalisadores e materiais de membrana polimérica disponíveis comercialmente, ao mesmo tempo que criou um design de MEA que aproveita a escalabilidade das modernas células de combustível e plantas de eletrólise de hidrogênio”, disse Neierlin.
“Os resultados desta pesquisa podem ajudar a converter dióxido de carbono em combustíveis e produtos químicos usando eletricidade renovável e hidrogênio, acelerando a transição para a ampliação e comercialização.”
As tecnologias de conversão eletroquímica são um elemento central do programa "Elétrons para Moléculas" do NREL, que se concentra na próxima geração de hidrogênio renovável, combustíveis zero, produtos químicos e materiais para processos acionados eletricamente.
“Nosso programa está explorando maneiras de usar eletricidade renovável para converter moléculas como dióxido de carbono e água em compostos que podem servir como fontes de energia”, disse Randy Cortright, diretor da estratégia de transferência de elétrons e/ou precursores do NREL para produção de combustíveis ou produtos químicos.
“Esta pesquisa sobre conversão eletroquímica representa um avanço que pode ser utilizado em diversos processos de conversão eletroquímica, e esperamos obter resultados ainda mais promissores deste grupo.”
Mais informações: Leiming Hu et al., Scalable membrane electrode assembly architecture for efficient electrochemical conversion of CO2 to formic acid, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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