Parar o dióxido de carbono (CO2), antes de entrar na atmosfera, é uma forma crítica de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. Embora a captura de carbono já exista há muitos anos, não foi amplamente adotada porque a maioria dos sistemas são caros e ineficientes. Uma abordagem industrial comum, a lavagem aquosa com aminas, requer o aquecimento de uma grande quantidade de líquido a temperaturas acima de 100 °C para liberar CO preso.2 e reutilizar a solução. Esta elevada procura de energia aumenta os custos operacionais e dificulta a implantação em grande escala.
Os materiais sólidos de carbono têm chamado a atenção como uma opção mais prática. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área superficial que lhes permite reter CO2. Eles também podem liberar gás usando menos calor, especialmente se contiverem grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, havia uma limitação importante. Os métodos tradicionais de fabricação colocam esses grupos de nitrogênio aleatoriamente em todo o material, dificultando a determinação de quais mecanismos específicos levam a um melhor desempenho.
Para resolver este problema, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Yasuhiro Yamada da Escola de Pós-Graduação em Engenharia e pelo Professor Associado Tamanori Oba da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Universidade de Chiba, Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado “vitiasites”. Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio colocados próximos uns dos outros de maneira controlada. Um estudo publicado na revista Carbonofoi coautor do Sr. Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Construção de Viciazitos com acoplamento controlado de nitrogênio
Os pesquisadores criaram três versões diferentes de viciositos, cada um com um tipo único de configuração de nitrogênio adjacente. Para obter grupos amino primários adjacentes (-NH2 grupo), eles primeiro aqueceram um composto chamado coroneno, depois o trataram com bromo e depois com gás amônia. Este método de três etapas alcançou 76% de seletividade, o que significa que a maioria dos átomos de nitrogênio foram colocados nos locais pretendidos.
Dois materiais adicionais foram obtidos utilizando diferentes compostos de partida. Um continha um nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade e o outro continha um nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.
Validação de estrutura e testes de desempenho
Cada material foi revestido com fibras de carbono ativado para criar amostras utilizáveis. A equipe confirmou a colocação precisa dos grupos de nitrogênio usando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de fotoelétrons de raios X e simulações de computador. Esses métodos confirmaram que os átomos de nitrogênio estão dispostos próximos uns dos outros e não aleatoriamente.
Durante os testes, os materiais mostraram diferenças claras no desempenho. Amostras com grupos -NH2 adjacentes e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que a fibra de carbono não tratada. Em contraste, a configuração do azoto piridínico ofereceu pouca melhoria.
CO de baixa temperatura2 A liberação pode reduzir o consumo de energia
A descoberta mais notável tem a ver com a facilidade com que os materiais emitem CO2. “A avaliação do desempenho mostrou que nos materiais de carbono onde os grupos NH2 são introduzidos próximos uns dos outros, a maior parte do CO adsorvido2 dessorve em temperaturas abaixo de 60 °C. Ao combinar esta propriedade com o calor residual industrial, é possível obter processos eficientes de captura de CO2 com custos operacionais significativamente reduzidos”, enfatiza o Dr. Yamada.
Material contendo nitrogênio pirrólico requer temperaturas mais altas para liberar CO2mas pode oferecer melhor estabilidade a longo prazo devido à sua estrutura química mais forte.
Um novo caminho para a captura de carbono com boa relação custo-benefício
Este trabalho mostra que o arranjo de grupos de nitrogênio em padrões contíguos específicos pode ser feito de forma confiável, fornecendo uma estratégia precisa para o desenvolvimento de materiais melhorados de captura de carbono. “Nossa motivação é contribuir para a sociedade futura e usar nossos materiais de carbono recém-desenvolvidos com estruturas controladas. Este trabalho fornece rotas comprovadas para a síntese de materiais de carbono dopados com nitrogênio projetados, fornecendo o controle de nível molecular necessário para desenvolver COs avançados e econômicos de próxima geração. “2 tecnologia de captura”, conclui o Dr. Yamada.
Além da captura de CO2esses materiais de viciasita também podem ser usados para outras aplicações, incluindo remoção de íons metálicos ou como catalisadores, devido às suas propriedades de superfície ajustáveis.
Financiamento e apoio
Este trabalho foi apoiado pela Mukai Science and Technology Foundation, pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (número de concessão JSPS KAKENHI JP24K01251) e pela Infraestrutura de Pesquisa Avançada do Japão para Materiais e Nanotecnologia (ARIM) do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT) sob o número de concessão JPMXP1225JI0008.
