Este novo material de carbono poderia tornar a captura de carbono muito mais acessível
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 adoptada porque a maioria dos sistemas são dispendiosos e ineficientes. Uma abordagem industrial comum, a lavagem aquosa com aminas, requer o aquecimento de grandes quantidades de líquido a temperaturas acima de 100 °C para liberar o CO capturado.2 e reutilizar a solução. Esta elevada procura de energia aumenta os custos operacionais e dificulta a utilização em larga escala.
Os materiais de carbono sólido ganharam 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 o gás usando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, houve uma limitação importante. Os métodos tradicionais de fabricação colocam esses grupos de nitrogênio aleatoriamente no material, dificultando a identificação de quais arranjos específicos levam a um melhor desempenho.
Para enfrentar este desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Yasuhiro Yamada da Escola de Pós-Graduação em Engenharia e pelo Professor Associado Tomonori Ohba da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Universidade de Chiba, no Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado ‘viciazitas’. Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio posicionados próximos uns dos outros de forma controlada. O estudo, publicado na revista Carbonofoi coautor do Sr. Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Construindo Viciazitas com Emparelhamento Controlado de Nitrogênio
Os pesquisadores criaram três versões diferentes de viciazitas, cada uma com um tipo único de configuração de nitrogênio vizinho. Para produzir grupos amina primária adjacentes (-NH2 grupos), eles primeiro aqueceram um composto chamado coroneno, depois o trataram com bromo, seguido de gás amônia. Este método de três etapas alcançou 76% de seletividade, o que significa que a maioria dos átomos de nitrogênio foram colocados nas posições pretendidas.
Dois materiais adicionais foram produzidos utilizando diferentes compostos de partida. Um apresentava nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, enquanto o outro continha nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.
Verificando a estrutura e o desempenho dos testes
Cada material foi aplicado a fibras de carbono ativadas para criar amostras utilizáveis. A equipe confirmou a colocação precisa de grupos de nitrogênio usando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de fotoelétrons de raios X e modelagem computacional. Esses métodos verificaram que os átomos de nitrogênio estavam posicionados lado a lado, em vez de distribuídos aleatoriamente.
Quando testados, os materiais mostraram diferenças claras de desempenho. Amostras com grupos -NH2 adjacentes e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que fibras de carbono não tratadas. Em contraste, a configuração do nitrogênio piridínico ofereceu pouca melhoria.
CO de baixa temperatura2 Lançamento pode reduzir uso de energia
A descoberta mais notável envolveu a facilidade com que os materiais liberavam CO2. “A avaliação de desempenho revelou que em materiais de carbono onde os grupos NH2 são introduzidos adjacentemente, a maior parte do CO adsorvido2 dessorve em temperaturas abaixo de 60 °C. Ao combinar esta propriedade com o calor residual industrial, poderá ser possível alcançar processos eficientes de captura de CO2 com custos operacionais substancialmente reduzidos”, destaca o Dr. Yamada.
O material contendo nitrogênio pirrólico exigiu 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 a organização de grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos pode ser feita de maneira confiável, fornecendo uma estratégia clara para projetar materiais aprimorados de captura de carbono. “Nossa motivação é contribuir para a sociedade futura e utilizar nossos materiais de carbono recentemente desenvolvidos com estruturas controladas. Este trabalho fornece caminhos validados para sintetizar materiais de carbono dopados com nitrogênio, oferecendo o controle de nível molecular essencial para o desenvolvimento de CO de próxima geração, econômico e avançado2 tecnologias de captura”, conclui o Dr. Yamada.
Além da captura de CO2esses materiais de viciazita também podem ser usados para outras aplicações, incluindo a remoção de íons metálicos ou servindo como catalisadores, graças às suas propriedades de superfície personalizáveis.
Financiamento e Apoio
Este trabalho foi apoiado pela Mukai Science and Technology Foundation, pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251) e pela “Infraestrutura de Pesquisa Avançada para Materiais e Nanotecnologia no Japão (ARIM)” do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT) sob o número de concessão JPMXP1225JI0008.
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