Cientistas liderados pela EPFL, pela Universidade de Copenhague e pela Universidade de Xangai desenvolveram um catalisador de cobre que pode converter eficientemente o dióxido de carbono em acetaldeído, um produto químico essencial usado na fabricação. A inovação oferece uma alternativa verde aos processos baseados em combustíveis fósseis.
O acetaldeído é um produto químico vital usado na fabricação de tudo, desde perfumes até plásticos. Hoje, sua produção depende em grande parte do etileno, um petroquímico. Mas as crescentes preocupações ambientais estão a pressionar a indústria química a reduzir a sua dependência de combustíveis fósseis, pelo que os cientistas têm procurado formas mais ecológicas de produzir acetaldeído.
Atualmente, o acetaldeído é produzido através do chamado “processo Wacker”, um método de síntese química que utiliza etileno proveniente de petróleo e gás natural com outros produtos químicos, como ácidos fortes, ou seja, ácido clorídrico. O processo Wacker não só tem uma grande pegada de carbono, como também consome muitos recursos e é insustentável a longo prazo.
Uma solução promissora para este problema é a redução eletroquímica do dióxido de carbono (CO2) em produtos úteis. Como CO2 é um resíduo que contribui para o aquecimento global, esta abordagem aborda duas questões ambientais ao mesmo tempo: reduz o CO2 emissões e cria produtos químicos valiosos.
Um catalisador inovador para maior eficiência
Os catalisadores à base de cobre mostraram potencial para esta transformação, mas até agora têm lutado com a baixa seletividade – o que significa que produzem uma mistura de produtos em vez do desejado acetaldeído.
Agora, cientistas de um consórcio público-privado, liderado por Cedric David Koolen no grupo de Andreas Züttel na EPFL, Jack K. Pedersen na Universidade de Copenhague e Wen Luo na Universidade de Xangai desenvolveram um novo catalisador à base de cobre que pode converter seletivamente CO2 em acetaldeído com uma eficiência impressionante de 92%.
A descoberta, publicada em Síntese da Naturezafornece uma forma mais ecológica e sustentável de produzir acetaldeído e pode substituir o processo Wacker. Além disso, o catalisador é escalonável e econômico, abrindo as portas para aplicações industriais.
“O processo Wacker efetivamente não mudou nos últimos 60 anos. Ele ainda é baseado na mesma química básica. O momento era propício para um avanço verde”, diz Koolen.
“Química fascinante”
Os pesquisadores começaram sintetizando pequenos aglomerados de partículas de cobre, cada um com cerca de 1,6 nanômetros de tamanho, usando um método chamado ablação por faísca. Esta técnica envolve a vaporização de eletrodos de cobre em um ambiente de gás inerte e permitiu aos cientistas controlar com precisão o tamanho das partículas. Os aglomerados de cobre foram então imobilizados em suportes de carbono para criar um catalisador estável e reutilizável.
No laboratório, a equipe testou o desempenho do catalisador submetendo-o a uma série de reações eletroquímicas com CO2 em um ambiente controlado. Usando um síncrotron – uma instalação de grande escala que gera uma fonte de luz muito brilhante – a equipe garantiu que os aglomerados de cobre estavam convertendo ativamente CO2 ao acetaldeído por uma técnica chamada espectroscopia de absorção de raios X.
Os resultados foram notáveis. Os aglomerados de cobre alcançaram 92% de seletividade para acetaldeído em uma tensão relativamente baixa, o que é essencial para a eficiência energética. Num teste de estresse de 30 horas, o catalisador demonstrou alta estabilidade, mantendo seu desempenho em vários ciclos. Os pesquisadores também descobriram que as partículas de cobre mantiveram sua natureza metálica durante toda a reação, o que contribui para a longevidade do catalisador.
“O que foi realmente surpreendente para nós foi que o cobre permaneceu metálico, mesmo após a remoção do potencial e exposição ao ar”, diz o co-autor principal Wen Luo. “. “O cobre geralmente oxida loucamente, especialmente o cobre tão pequeno. Mas, no nosso caso, uma camada de óxido se formou ao redor do aglomerado, protegendo o núcleo de futuras oxidações. E isso explica a reciclabilidade do material. Química fascinante.”
As chaves para o sucesso
Por que o novo catalisador funcionou tão bem? Simulações computacionais mostraram que os aglomerados de cobre apresentam uma configuração específica de átomos que promove CO2 moléculas se liguem e se transformem de uma forma que favoreça a produção de acetaldeído em detrimento de outros produtos possíveis, como etanol ou metano.
“A grande vantagem do nosso processo é o fato de que ele pode ser aplicado a qualquer outro sistema catalítico”, diz o co-autor principal Jack K. Pedersen. “Com nossa estrutura computacional, podemos selecionar rapidamente clusters em busca de características promissoras. Se for para CO2 redução, ou eletrólise da água, com ablação por faísca podemos produzir o novo material com facilidade e testá-lo diretamente no laboratório. Isso é muito mais rápido do que o ciclo típico de teste-aprender-repetir.”
O novo catalisador de cobre é um passo significativo em direção a uma química industrial mais verde. Se for ampliado, poderá substituir o processo Wacker, reduzindo a necessidade de produtos petroquímicos e reduzindo o CO2 emissões. Dado que o acetaldeído é um alicerce para muitos outros produtos químicos, esta investigação tem o potencial de transformar múltiplas indústrias, desde a farmacêutica à agricultura.
Esta pesquisa também se apresenta como um Briefing de pesquisa Síntese da Natureza.
Referências
Koolen, CD, Pedersen, JK, Zijlstra, B, Winzely, M, Zhang, J, Pfeiffer, TV, Vrijburg, W, Li, M, Agarwal, A, Akbari, Z, Kuddusi, Y., Herranz, J., Safonova, OV, Schmidt-Ott, A., Luo, W., Züttel, A. Escalável síntese de catalisadores cluster de Cu via ablação por centelha para a conversão eletroquímica altamente seletiva de CO2 em acetaldeído. Síntese da Natureza 03 de janeiro de 2025. DOI: 10.1038/s44160-024-00705-3
