Uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. Ki Yong-ku do Departamento de Pesquisa de Hidrogênio do Instituto Coreano de Pesquisa Energética (Presidente Yi Chang-keun, doravante denominado KIER) desenvolveu um catalisador líder mundial capaz de converter dióxido de carbono, um importante gás de efeito estufa, em um ingrediente essencial para amigos ecológicos.
A reação reversa de mudança água-gás (RWGS) é um processo químico que converte dióxido de carbono (CO)2) em monóxido de carbono (CO) e água (H2O) reage com hidrogênio (H2) em um reator. O monóxido de carbono resultante pode ser combinado com hidrogénio para criar gás de síntese, um elemento básico utilizado para produzir combustíveis sintéticos, como o e-fuel* e o metanol. Devido à capacidade de reciclar CO2 Nos materiais combustíveis utilizáveis, a reação RWGS é vista como uma rota promissora para o avanço da produção de energia sustentável.
Excedendo os limites dos catalisadores convencionais
Tradicionalmente, as reações RWGS funcionam melhor em temperaturas acima de 800°C. Catalisadores à base de níquel são frequentemente usados porque podem suportar esse calor, mas reduzem a área superficial e a eficiência à medida que as partículas se aglomeram. Operar em temperaturas mais baixas evita esse problema, mas leva à formação de subprodutos indesejados, como o metano, reduzindo a produção de monóxido de carbono.
Para tornar o processo mais eficiente e econômico, os pesquisadores procuram catalisadores que sejam altamente ativos em condições de baixa temperatura. A equipe KIER conseguiu desenvolver um novo catalisador à base de cobre que fornece 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 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 geralmente enfraquece perto dessa temperatura, resultando na redução da composição e atividade das partículas.
Para enfrentar esse desafio, a equipe do Dr. Ku incorporou uma estrutura de hidróxido duplo em camadas (LDH) em seu projeto. Esta estrutura em camadas consiste em finas folhas de metal contendo moléculas de água e ânions. Ajustando a proporção e o tipo de íons metálicos, os pesquisadores ajustaram as propriedades físicas e químicas do catalisador. A adição de ferro e magnésio ajuda a preencher as lacunas entre as partículas de cobre, prevenindo eficazmente a aglomeração e melhorando a resistência ao calor.
Análises infravermelhas em tempo real e experimentos de reação revelaram por que o novo catalisador funcionou tão bem. Catalisadores de cobre convencionais convertem CO2 O monóxido de carbono entra através de um composto intermediário chamado formato. O novo material, no entanto, ignora completamente esses intermediários, convertendo CO2 diretamente na superfície do CO. Porque evita reações secundárias que produzem metano ou outros subprodutos, o catalisador mantém alta atividade mesmo em temperaturas relativamente baixas 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 segundo (μmol·gcat⁻¹·s⁻¹), mantendo a estabilidade por mais de 100 horas. Estes resultados representam uma taxa de formação 1,7 vezes maior e um rendimento 1,5 vezes maior do que o catalisador de cobre padrão. 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 COs de melhor desempenho2 Catalisar a transformação do mundo.
“CO de baixa temperatura2 A tecnologia do catalisador de hidrogenação é um avanço que permite a produção eficiente de monóxido de carbono usando metais baratos e abundantes”, disse o Dr. Ki Yong 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 em ambientes industriais reais, contribuindo assim para a concretização da neutralidade carbónica e para a comercialização de tecnologias sustentáveis de produção de combustíveis sintéticos.”
Observação
* Os e-combustíveis são combustíveis sintéticos produzidos pela combinação de hidrogénio verde, gerado com eletricidade renovável, e captura de CO.2 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 do estudo foram publicados online em maio de 2025 Catálise Aplicada B: Meio Ambiente e EnergiaUm jornal líder na área de energia e catálise ambiental. A pesquisa foi apoiada pelo projeto de P&D da KIER, ‘Desenvolvimento de Tecnologia de Produção E-SAF (Combustível de Aviação Sustentável) a partir de Dióxido de Carbono e Hidrogênio’.
