A eliminação do dióxido de carbono (CO2) é uma forma importante de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa antes de estes entrarem na atmosfera. Embora a captura de carbono já exista há muitos anos, não foi amplamente adotada porque a maioria dos sistemas são caros e ineficientes. Um processo industrial comum, a lavagem aquosa com aminas requer o aquecimento de uma grande quantidade de líquido a temperaturas acima de 100 °C para liberar o CO capturado.2 e reutilizar a solução. Essa alta demanda energética aumenta os custos operacionais e dificulta o uso em larga escala.
Os materiais de carbono sólido ganharam atenção como uma alternativa mais prática. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área superficial que lhes permite reter CO2. Eles também podem liberar gases usando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, há uma limitação importante. Os métodos tradicionais de fabricação colocam esses grupos de nitrogênio aleatoriamente em todo o 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 e pelo Professor Associado Tomonori Ohba da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, no Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado ‘Visiazites’. Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio localizados próximos uns dos outros de maneira controlada. A pesquisa está publicada na revista CarbonoCoautor, Sr. Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Formação de Visiazita com Emparelhamento Controlado de Nitrogênio
Os pesquisadores criaram três versões diferentes de visaazita, cada uma com uma configuração única de nitrogênio vizinho. para formar grupos amina primária adjacentes (-NH2 grupo), eles primeiro aqueceram o composto chamado corona, depois o trataram com bromo e depois com gás amônia. Este método de três etapas alcançou 76% de seletividade, o que significa que a maioria dos átomos de nitrogênio foram colocados na posição pretendida.
Dois materiais adicionais foram produzidos utilizando diferentes compostos de partida. Um possui nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, o outro possui 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 produzir amostras utilizáveis. A equipe confirmou a colocação precisa dos 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 a fibra de carbono bruta. Em contraste, a configuração do nitrogênio piridínico ofereceu pouca melhoria.
CO de baixa temperatura2 A liberação pode reduzir o consumo de energia
A descoberta mais notável envolveu a facilidade com que os materiais liberam CO2. “A avaliação de desempenho mostrou que em materiais de carbono onde grupos NH2 são introduzidos adjacentemente, a maior parte do CO adsorvido2 Absorve 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 mais baixos”, destacou o Dr. Yamada.
Materiais contendo nitrogênio pirrólico requerem altas temperaturas para liberar CO2Mas pode fornecer estabilidade a longo prazo devido à sua forte estrutura química.
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 contíguos específicos pode ser feita de maneira confiável, fornecendo uma estratégia clara para o projeto de materiais avançados 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 um caminho válido para sintetizar materiais de carbono dopados com nitrogênio, que fornecem o controle de nível molecular necessário para a próxima geração, desenvolvimento de CO avançado e econômico.2 tecnologia de captura”, concluiu o Dr. Yamada.
CO está além da captura2Esses materiais de viciazita podem ser usados para outras aplicações, incluindo remoção de íons metálicos ou servir como catalisadores, graças às suas propriedades de superfície personalizáveis.
Financiamento e apoio
Este trabalho foi apoiado pela Fundação de Ciência e Tecnologia Mukai, Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (número de concessão JSPS KAKENHI JP24K01251) e “Infraestrutura de Pesquisa Avançada para Materiais e Nanotecnologia no Japão (ARIM)”.
