Químicos procuram uma maneira mais ecológica de fazer plásticos
Os plásticos são um problema climático. A fabricação de precursores para plásticos comuns, como etileno e monóxido de carbono (CO), consome combustíveis fósseis e libera muito dióxido de carbono (CO 2 ). Nos últimos anos, os químicos desenvolveram reatores de bancada chamados células eletroquímicas que visam reverter o processo, começando com água e CO 2 residual de processos industriais e usando eletricidade renovável para transformá-los em matéria-prima para plásticos. Mas essa visão verde tem um problema prático: as células geralmente consomem aditivos altamente alcalinos que, por sua vez, consomem energia para fazer.
“Este tem sido um problema científico muito desafiador”, diz Peidong Yang, um químico da Universidade da Califórnia, Berkeley. Agora, sua equipe e um segundo grupo estão relatando avanços para resolver o obstáculo da alcalinidade. Um avanço liga duas células eletroquímicas em tandem para contornar o problema completamente, e outro se transforma em um catalisador semelhante a uma enzima para gerar um produto químico desejado sem consumir aditivos alcalinos. A indústria de plásticos não está prestes a abandonar os combustíveis fósseis por CO 2 e eletricidade renovável, mas “o campo está ganhando força”, diz Feng Jiao, um eletroquímico da Universidade de Delaware, Newark.
Atualmente, as empresas produzem etileno, um gás límpido e de cheiro doce, usando vapor superaquecido sob pressão para “quebrar” os hidrocarbonetos maiores do petróleo. Aperfeiçoado por décadas, o processo é extremamente eficiente, capaz de produzir eteno por cerca de US $ 1.000 a tonelada. Mas sua produção gera cerca de 200 milhões de toneladas de CO 2 anualmente, 0,6% das emissões mundiais.
As células eletroquímicas, que funcionam como baterias ao contrário, oferecem uma alternativa mais ecológica. Ao contrário das baterias, que convertem energia química em eletricidade, as células eletroquímicas fornecem eletricidade aos catalisadores que produzem produtos químicos.
Ambos os tipos de dispositivos dependem de dois eletrodos separados por um eletrólito que transporta íons carregados. Em células eletroquímicas projetadas para converter CO 2 em produtos químicos mais valiosos, o gás dissolvido e a água reagem no cátodo para formar etileno e outros hidrocarbonetos. O eletrólito é normalmente enriquecido com hidróxido de potássio, o que permite que as conversões químicas ocorram em uma voltagem mais baixa, aumentando assim a eficiência energética geral. E ajuda a canalizar a maior parte da eletricidade adicionada para a criação de hidrocarbonetos em vez de gás hidrogênio, um produto menos valioso.
Mas Matthew Kanan, um eletroquímico da Universidade de Stanford, observa que o hidróxido carrega uma penalidade de energia própria. Os íons hidróxido reagem com CO 2 no cátodo, formando carbonato, que precipita da solução como um sólido. Como resultado, o hidróxido deve ser continuamente reabastecido – e o próprio hidróxido consome energia para ser feito, tornando o processo geral uma perda de energia.
Em 2019, Kanan e seus colegas relataram uma solução parcial. No lugar de CO 2 , eles alimentavam suas células de CO, que não reage com o hidróxido para formar carbonato. A célula em si era altamente eficiente: setenta e cinco por cento dos elétrons que alimentavam seu catalisador – uma métrica conhecida como eficiência faradaica (FE) – passaram a fazer acetato, um composto simples contendo carbono que pode ser usado como matéria-prima para micróbios industriais. O problema é que a produção de CO normalmente requer combustíveis fósseis, desfazendo alguns dos benefícios climáticos do esquema.
Agora, uma equipe liderada por Edward Sargent, um químico da Universidade de Toronto, levou essa abordagem um passo adiante. Eles começaram com um dispositivo disponível comercialmente chamado célula eletroquímica de óxido sólido, que usa altas temperaturas para converter CO 2 em CO e pode ser alimentado por eletricidade renovável. O CO flui para outra célula eletroquímica cujos catalisadores são adaptados para favorecer a produção de etileno, um produto químico mais amplamente usado do que o acetato. O reator tandem não consome mais hidróxido e tem FE de 65% para a energia armazenada no etileno produzido pelo dispositivo, relataram os pesquisadores na semana passada em Joule . “É um avanço significativo”, diz Jiao.
Na edição de dezembro de 2020 da Nature Energy , Yang e seus colegas relataram uma maneira muito diferente de contornar o problema de alcalinidade. Em uma célula eletroquímica alcalina, eles redesenharam o catalisador para excluir a água e os íons de hidróxido nos locais onde ele divide o CO 2 . O dispositivo pode converter o gás em CO sem gerar carbonato, uma grande vitória energética. Mas essa célula ainda não converte o CO e o hidrogênio da água em etileno e outros hidrocarbonetos, observa Yang.
Melhores células eletroquímicas não são a única força que impulsiona a pesquisa. À medida que a geração de energia eólica e solar cresce, os preços das energias renováveis estão despencando. Esses preços baixos de energia significam que dobrar a eficiência energética geral das células eletroquímicas em tandem poderia torná-las competitivas em termos de custo com a abordagem de combustível fóssil padrão para a fabricação de etileno, Sargent e seus colegas relataram em um artigo de dezembro de 2020 na ACS Energy Letters . “Estamos tentando colocar essa opção em prática”, diz Kanan.
Fonte: Revista Science | Robert F. Service
