Nos últimos anos, pesquisadores de todo o mundo vêm explorando novos métodos de produção de etanol, um composto químico amplamente utilizado em diversos ambientes industriais. Uma maneira de produzir esse composto é através do que é conhecido como reação de eletrorredução por dióxido de carbono (CO2RR).
Embora essa reação em particular tenha possibilitado a conversão de CO2 em etanol, a eficiência faradaica e a eficiência atual do etanol resultante muitas vezes estão longe de ser ótimas. A eficiência faradaica é essencialmente a eficiência de carga com a qual os elétrons são transferidos e utilizados para sintetizar o produto químico desejado, etanol neste caso.
Pesquisadores da Universidade de Toronto recentemente desenvolveram uma estratégia que permite uma conversão mais eficiente de CO2 em etanol, através da supressão da desoxigenação na reação do CO2RR. Em seu trabalho, publicado na Nature Energy, eles propõem o uso de uma classe específica de catalisadores que levam à produção de etanol com uma eficiência faradaica de (52 ± 1)% e uma eficiência energética catódica de 31%.
“O objetivo do nosso projeto era aumentar a seletividade em relação ao etanol e sua taxa de produção, tudo sob a reação do CO2RR”, disse o Dr. Xue Wang, um dos pesquisadores do grupo do Prof. Ted Sargent na Universidade de Toronto que realizou o estudo, disse ao TechXplore. “Para determinar como selecionar a favor do etanol, precisamos primeiro considerar a ramificação entre etanol e etileno, seu principal produto concorrente”.
Etanol e etileno compartilham um composto derivado intermediário, chamado HOCCH *. O elemento chave que favorece a produção de etanol sobre o de etileno por meio da reação CO2RR é a supressão da quebra da ligação C-O no HOCCH *.
Sargent e seus colegas projetaram um conjunto de catalisadores revestindo Cu com carbono dopado com nitrogênio (N-C/Cu), através de um processo conhecido como deposição por pulverização. Os catalisadores que eles projetaram exploram o fato de que a supressão da desoxigenação no HOCCH * promove a produção de etanol, e não a produção de etileno.
“A microscopia eletrônica revelou lacunas com largura tipicamente menor que 1 nm entre as camadas Cu e N-C; elas servem como nanorreatores no CO2RR”, disse o professor Ted Sargent ao TechXplore. “Com o auxílio de cálculos e simulações, bem como a absorção Raman e de raios-X no local, descobrimos que o confinamento da camada NC oferece forte capacidade de doação de elétrons no topo do catalisador Cu e facilita o acoplamento CC, ao mesmo tempo em que suprime a desoxigenação de o intermediário HOCCH * em etileno”.
As propriedades únicas dos catalisadores N-C/Cu criados pelo Prof. Sargent, Dr. Wang e seus colegas promovem a seletividade para o etanol de maneira mais eficiente. Usando esses catalisadores, os pesquisadores alcançaram a conversão de CO2 em etanol com uma eficiência faradaica recorde de 52% a uma densidade de corrente parcial de 156 mA cm-2.
“A correspondente eficiência energética catódica (EE) e EE de célula completa para etanol atingiram valores de 31% e 16% nos sistemas de montagem de célula de fluxo e eletrodo de membrana, respectivamente”, disse o Dr. Wang. “Nosso estudo fornece uma nova plataforma para melhorar a seletividade de etanol de alta densidade de energia a altas taxas de produção de CO2RR”.
Os novos catalisadores introduzidos por esse grupo de pesquisadores poderiam permitir a produção mais eficiente de etanol em larga escala. O etanol renovável produzido utilizando a abordagem de eletrolisadores da equipe de Toronto tem o potencial de substituir as técnicas existentes para produzir etanol, o que resulta em compostos com maior pegada de carbono.
Atualmente, a maior aplicação de etanol é como combustível de motor e como aditivo de combustível em motores de combustão interna. Por exemplo, nos Estados Unidos, tanto as misturas E10 (etanol a 10%, às vezes conhecidas como gasóleo) quanto as misturas E85 (etanol a 85%)/etanol/gasolina são amplamente vendidas. Como resultado, o mercado global de etanol hoje ultrapassa US$ 30 bilhões/ano.
“Embora este trabalho seja um passo significativo na direção certa, é necessário mais progresso”, disse o professor Sargent. “Mais pesquisas neste campo incluirão a melhoria adicional de seletividade, taxas de produção, estabilidade operacional e eficiência energética (EE), para todo o etanol produzido via CO2RR. Mais eficiência no progresso continua sendo nossa principal prioridade”.
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