Transformar CO2 em combustível limpo de forma mais rápida e barata

A reação reversa de mudança água-gás (RWGS) é um processo químico que converte dióxido de carbono (CO₂) em monóxido de carbono (CO) e água (H₂O) reagindo-o com hidrogênio (H₂) em um reator. O monóxido de carbono resultante pode então ser combinado com hidrogénio para produzir gás de síntese, um elemento fundamental utilizado para produzir combustíveis sintéticos, como os combustíveis eletrónicos* e o metanol. Devido à sua capacidade de reciclar CO₂ em componentes de combustível utilizáveis, a reação RWGS é vista como um caminho promissor para o avanço da produção de energia sustentável.

Superando os limites dos catalisadores convencionais

Tradicionalmente, a reação RWGS opera melhor em temperaturas acima de 800 °C. Catalisadores à base de níquel são frequentemente usados ​​porque podem suportar esse calor, mas perdem desempenho com o tempo à medida que as partículas se aglomeram, reduzindo a área superficial e a eficiência. Operar em temperaturas mais baixas evita esse problema, mas também leva à formação de subprodutos indesejados, como o metano, diminuindo a produção de monóxido de carbono.

Para tornar o processo mais eficiente e acessível, os pesquisadores têm procurado catalisadores que permaneçam altamente ativos em condições de baixa temperatura. A equipe KIER conseguiu desenvolver um novo catalisador à base de cobre que oferece resultados excelentes a apenas 400 °C.

Um avanço no design de catalisadores de cobre

O recém-projetado catalisador de óxido misto de cobre-magnésio-ferro superou os catalisadores de cobre comerciais, produzindo monóxido de carbono 1,7 vezes mais rápido e com um rendimento 1,5 vezes maior a 400 °C.

Os catalisadores de cobre têm uma vantagem fundamental sobre o níquel: eles podem produzir seletivamente apenas monóxido de carbono em temperaturas abaixo de 400 °C sem formar metano. No entanto, a estabilidade térmica do cobre normalmente enfraquece perto dessa temperatura, levando à aglomeração de partículas e à perda de atividade.

Para resolver esse desafio, a equipe do Dr. Koo incorporou uma estrutura de hidróxido duplo em camadas (LDH) em seu projeto. Esta estrutura em camadas contém finas folhas de metal com moléculas de água e ânions entre elas. Ajustando a proporção e o tipo de íons metálicos, os pesquisadores ajustaram as características físicas e químicas do catalisador. A adição de ferro e magnésio ajudou a preencher as lacunas entre as partículas de cobre, evitando efetivamente a aglomeração e melhorando a resistência ao calor.

A análise infravermelha em tempo real e os testes de reação revelaram por que o novo catalisador tem um desempenho tão bom. Catalisadores de cobre convencionais convertem CO₂ em monóxido de carbono através de compostos intermediários chamados formatos. O novo material, no entanto, ignora completamente esses intermediários, convertendo CO₂ diretamente em CO em sua superfície. Porque evita reações secundárias que produzem metano ou outros subprodutos, o catalisador mantém alta atividade mesmo a uma temperatura relativamente baixa de 400 °C.

Desempenho recorde e importância global

A 400 °C, o catalisador alcançou um rendimento de monóxido de carbono de 33,4% e uma taxa de formação de 223,7 micromoles por grama de catalisador por segundo (μmol·gcat⁻¹·s⁻¹), mantendo a estabilidade por mais de 100 horas contínuas. Estes resultados representam uma taxa de formação 1,7 vezes maior e um rendimento 1,5 vezes maior do que os catalisadores de cobre padrão. Quando comparado aos catalisadores à base de platina, que são caros, mas altamente ativos, o novo catalisador ainda os superou com uma taxa de formação 2,2 vezes mais rápida e um rendimento 1,8 vezes maior. Isso o coloca entre os CO de melhor desempenho₂ catalisadores de conversão do mundo.

“O CO de baixa temperatura₂ a tecnologia do catalisador de hidrogenação é uma conquista revolucionária que permite a produção eficiente de monóxido de carbono usando metais baratos e abundantes”, disse o Dr. Kee Young Koo, pesquisador principal do projeto. “Ela pode ser aplicada diretamente à produção de matérias-primas essenciais para combustíveis sintéticos sustentáveis. No futuro, continuaremos a nossa investigação para expandir a sua aplicação a ambientes industriais reais, contribuindo assim para a concretização da neutralidade carbónica e para a comercialização de tecnologias sustentáveis ​​de produção de combustíveis sintéticos.”

Notas

* E-Fuels são combustíveis sintéticos produzidos pela combinação de hidrogénio verde, gerado com eletricidade renovável, e CO capturado₂ da atmosfera ou biomassa sustentável. Estão a emergir como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis convencionais, especialmente para setores difíceis de descarbonizar, como a aviação e o transporte marítimo.

Os resultados da pesquisa foram publicados online em maio de 2025 em Catálise Aplicada B: Ambiental e Energéticaum periódico líder na área de energia e catálise ambiental. O estudo foi apoiado pelo projeto de P&D do KIER, ‘Desenvolvimento de tecnologia de produção de e-SAF (combustível de aviação sustentável) a partir de dióxido de carbono e hidrogênio.