Cientistas avançam na transformação de CO2 em produtos de alto valor
FAPESPEm artigo publicado no Journal of the American Chemical Society (JACS), pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) descrevem um protocolo capaz de melhorar a eficiência de uma etapa crucial da conversão do dióxido de carbono (CO2) – um dos principais gases de efeito estufa (GEE) – em produtos de alto valor agregado.
A pesquisa foi coordenada pela professora do Instituto de Química (IQ-USP) Liane Rossi, no âmbito do Centro de Pesquisa para Inovação em Gás (RCGI) – um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído pela FAPESP e pela Shell na Escola Politécnica (Poli-USP). Nela, o CO2 é transformado em monóxido de carbono (CO) após passar por uma reação química de hidrogenação com o uso de um catalisador de níquel previamente tratado.
“Nós conseguimos melhorar a seletividade do catalisador para produzir exclusivamente CO e elucidar a razão pela qual um catalisador de níquel fica mais eficiente após tratamento em alta temperatura”, conta Rossi à Assessoria de Comunicação do RCGI. Segundo a pesquisadora, a seletividade nesse caso é importante para evitar a produção de metano (CH4), outro gás causador do efeito estufa.
Maior rendimento
O monóxido de carbono é um intermediário a partir do qual é possível produzir quase tudo que se obtém do petróleo, como combustíveis e precursores para polímeros com as mesmas propriedades dos petroquímicos, além de moléculas oxigenadas utilizadas por outros ramos da indústria química. Um dos possíveis produtos é o querosene de aviação.
O problema é que no processo de hidrogenação do CO2 normalmente obtém-se uma mistura de monóxido de carbono e metano. A proporção muda conforme o catalisador utilizado e de acordo com as condições de temperatura e pressão do processo. Um dos catalisadores mais amplamente usados é o de níquel, material barato e abundante que, no entanto, pode levar a uma maior proporção de metano no fim do processo.
Como explicam os pesquisadores, a produção concomitante de metano é indesejada quando o foco é a obtenção de hidrocarbonetos de cadeia mais longa, pois reduz o rendimento.
Mas descobriu-se que, após ser submetido a temperaturas de 800o C, em atmosfera de CO2/H2 ou de metano ou propano, o catalisador passa por uma sutil mudança estrutural e isso possibilita produzir somente monóxido de carbono – evitando-se o metano mesmo em uma temperatura ótima para sua formação.
De acordo com Rossi, a elevação da temperatura leva à formação de carbeto de níquel (Ni3C) na superfície do catalisador e é isso que faz toda a diferença na reação de hidrogenação. “Há uma mudança da interação do CO com a superfície do catalisador, de forma que, com o carbeto, é como se o CO formado fosse expulso rapidamente dessa superfície, sem ser convertido em metano pela reação com os hidrogênios que estão também adsorvidos na superfície do catalisador – os hidretos, como chamamos”, explica.
Segundo Rossi, a formação de carbeto de níquel é uma etapa crucial para a produção de monóxido de carbono, a partir de CO2, sem ser transformado em seguida em metano. Essa hipótese foi formulada com base nos resultados obtidos experimentalmente e confirmados por cálculos teóricos. Os pesquisadores puderam estudar a superfície do catalisador em condições muito próximas das operacionais no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano) – ambos no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), em Campinas – e no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), nos Estados Unidos.
O estudo teve a contribuição de membros do grupo da professora Rossi e de pesquisadores do Instituto de Física da USP de São Paulo e São Carlos e do PNNL.
Próximo passo
De acordo com Rossi, a pesquisa agora seguirá analisando como outros fatores – a pressão dos gases dentro do reator, por exemplo – interferem no processo, de modo a estabelecer a melhor condição para o funcionamento dos catalisadores de níquel. Em seguida, avançará para o possível desenvolvimento de um processo integrado que primeiro transforme CO2 em CO e depois em produtos químicos de maior valor. “Daqui pra frente, vamos montar as partes para, partindo do CO2, chegar a produtos de interesse comercial.”
Os pesquisadores estão trabalhando para agregar valor ao CO2 e assim mostrar que pode ser mais benéfico usá-lo como matéria-prima do que simplesmente jogá-lo na atmosfera, servindo como um estímulo para mitigar as emissões.
O resumo do artigo Optimizing Active Sites for High CO Selectivity during CO2 Hydrogenation over Supported Nickel Catalysts pode ser lido em https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12689.
* Com informações da Assessoria de Comunicação do RCGI