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Os pesquisadores desenvolveram um processo movido à luz solar usando cobre e nitreto de carbono nanocristalino para converter eficientemente CO2 em metanol, marcando um passo significativo em direção à produção sustentável de combustível e à redução de CO2. A imagem acima mostra o reator onde o catalisador é testado para transformar CO2 em metanol. Crédito: Universidade de Nottingham
Pesquisadores transformaram com sucesso CO2 em metanol ao incidir a luz solar sobre átomos individuais de cobre depositados num material ativado pela luz, uma descoberta que abre caminho para a criação de novos combustíveis verdes.
Uma equipe internacional de pesquisadores do Universidade de NottinghamEscola de Química, Universidade de Birmingham, Universidade de Queensland e Universidade de Ulm projetaram um material feito de cobre ancorado em nitreto de carbono nanocristalino. Os átomos de cobre estão aninhados dentro da estrutura nanocristalina, o que permite que os elétrons se movam do nitreto de carbono para o CO.2uma etapa essencial na produção de metanol a partir de CO2 sob a influência da irradiação solar. A pesquisa foi publicada no Energia e Combustíveis Sustentáveis jornal da Royal Society of Chemistry.
O Desafio da Eficiência e Seletividade
Na fotocatálise, a luz incide sobre um material semicondutor que excita os elétrons, permitindo-lhes viajar através do material para reagir com o CO.2 e água, levando a uma variedade de produtos úteis, incluindo o metanol, que é um combustível verde. Apesar dos progressos recentes, este processo sofre de falta de eficiência e seletividade.
O dióxido de carbono é o maior contribuinte para o aquecimento global. Embora seja possível converter CO2 para produtos úteis, os métodos térmicos tradicionais dependem de hidrogénio proveniente de combustíveis fósseis. É importante desenvolver métodos alternativos baseados em foto e eletrocatálise, aproveitando a energia solar sustentável e a abundância de água onipresente.
Controle em nanoescala para catálise aprimorada
Dr. Madasamy Thangamuthu, pesquisador da Escola de Química da Universidade de Nottingham, que co-liderou a equipe de pesquisa, disse: “Há uma grande variedade de materiais diferentes usados na fotocatálise. É importante que o fotocatalisador absorva luz e separe os portadores de carga com alta eficiência. Em nossa abordagem, controlamos o material no nanoescala. Desenvolvemos uma nova forma de nitreto de carbono com domínios cristalinos em nanoescala que permitem interação eficiente com a luz, bem como separação de carga suficiente.”
O processo de conversão de CO2 em metanol (combustível) pela luz. Crédito: Universidade de Nottingham
Os pesquisadores desenvolveram um processo de aquecimento do nitreto de carbono até o grau de cristalinidade necessário, maximizando as propriedades funcionais desse material para fotocatálise. Usando pulverização catódica de magnetron, eles depositaram cobre atômico em um processo sem solvente, permitindo contato íntimo entre o semicondutor e os átomos de metal.
Ganhos de eficiência surpreendentes
Tara LeMercier, uma estudante de doutorado que realizou o trabalho experimental na Escola de Química da Universidade de Nottingham, disse: “Medimos a corrente gerada pela luz e a usamos como critério para julgar a qualidade do catalisador. Mesmo sem cobre, a nova forma de nitreto de carbono é 44 vezes mais ativa que o nitreto de carbono tradicional. Contudo, para nossa surpresa, a adição de apenas 1 mg de cobre por 1 g de nitreto de carbono quadruplicou esta eficiência. Mais importante ainda, a seletividade mudou do metano, outro gás de efeito estufa, para o metanol, um valioso combustível verde.”
O professor Andrei Khlobystov, da Escola de Química da Universidade de Nottingham, disse: “A valorização do dióxido de carbono é a chave para alcançar a ambição líquida zero do Reino Unido. É de vital importância garantir a sustentabilidade dos nossos materiais catalisadores para esta importante reação. Uma grande vantagem do novo catalisador é que ele consiste em elementos sustentáveis – carbono, nitrogênio e cobre – todos altamente abundantes em nosso planeta.”
Esta invenção representa um passo significativo em direção a uma compreensão profunda dos materiais fotocatalíticos na conversão de CO2. Ele abre um caminho para a criação de catalisadores altamente seletivos e ajustáveis, onde o produto desejado pode ser obtido controlando o catalisador em nanoescala.
Referência: “Sinergia de nitreto de carbono nanocristalino com Cu simples átomo catalisador leva à redução fotocatalítica seletiva de CO2 em metanol” por Tara M. LeMercier, Madasamy Thangamuthu, Emerson C. Kohlrausch, Yifan Chen, Craig T. Stoppiello, Michael W. Fay, Graham A. Rance, Gazi N. Aliev, Wolfgang Theis , Johannes Biskupek, Ute Kaiser, Anabel E. Lanterna, Jesum Alves Fernandes e Andrei N. Khlobystov, 6 de março de 2024, Energia e Combustíveis Sustentáveis.
DOI: 10.1039/D4SE00028E
Este trabalho é financiado pelo programa EPSRC Grant 'Átomos metálicos em superfícies e interfaces (MASI) para um futuro sustentável' www.masi.ac.uk que se destina a desenvolver materiais catalisadores para a conversão de três moléculas-chave – dióxido de carbono, hidrogénio e amoníaco – de importância crucial para a economia e o ambiente. Os catalisadores MASI são fabricados com eficiência atômica para garantir o uso sustentável de elementos químicos sem esgotar o suprimento de elementos raros e produzir a maioria dos elementos abundantes na Terra, como carbono e metais básicos.