Cientistas avançam na transformação de CO2 em produtos de alto valor

Estudo conduzido no Centro de Pesquisa para Inovação em Gás da USP pode ajudar a diminuir as emissões de gases de efeito estufa na atmosfera

Agência FAPESP* – Em 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