Compreender as armadilhas de carbono
A sondagem física de um material promissor mostra exatamente como fixa o CO₂ no seu lugar
À medida que as indústrias procuram soluções inovadoras para a captura de carbono, os cientistas voltaram-se para materiais avançados que retêm e armazenam eficientemente o dióxido de carbono (CO₂) das emissões industriais. Um estudo recente de uma equipa do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), da Universidade de Tecnologia de Dresden (TUD) e da Universidade Maria Curie-Skłodowska em Lublin (Polónia) lança luz sobre a física de adsorção de gás da chamada Calgary Framework 20 (CALF-20), uma estrutura metal-orgânica (MOF) à base de zinco. A pesquisa destaca como o CALF-20 captura eficientemente o CO₂ enquanto resiste à interferência da água - um problema comum em materiais de captura de carbono.
As tecnologias de captura de CO₂ dependem de materiais que podem capturar seletivamente o gás de efeito estufa dos fluxos de gás, minimizando o consumo de energia. Os adsorventes tradicionais, como os carvões activados e os zeólitos, sofrem frequentemente de elevadas exigências energéticas ou de fraca seletividade em ambientes húmidos. Em contraste, o CALF-20 destaca-se devido à sua elevada absorção de CO₂ e ao seu calor suave de adsorção e regeneração. Mantém uma elevada seletividade ao adsorver preferencialmente CO₂ sobre a água em condições moderadamente húmidas. O CALF-20 captura o CO₂ de forma mais eficaz e absorve menos água nessas condições, quando comparado com outros compostos semelhantes amplamente estudados. Todos esses MOFs são altamente porosos e feitos de aglomerados de metal-oxigénio, que são conectados de forma estruturada por pilares de produtos químicos orgânicos. Este arranjo tridimensional leva a redes de cavidades que lembram os poros de uma esponja de cozinha.
"Neste estudo, empregamos uma abordagem multifacetada para investigar o comportamento de adsorção de CO₂ do CALF-20. Usando uma combinação de espetroscopia de vida de aniquilação de pósitrons (PALS), difração de raios-X em pó in situ (PXRD), bem como experimentos de adsorção de gás, fomos capazes de visualizar a interação entre as moléculas de CO₂ e a estrutura interna do material sob diferentes temperaturas e níveis de umidade. Estes conhecimentos fornecem informações importantes para otimizar as tecnologias de captura de CO₂ em ambientes industriais do mundo real", explica o Dr. Ahmed Attallah do Instituto de Física de Radiação da HZDR.
Um mergulho profundo nos mecanismos de adsorção
"O PALS desempenha um papel fundamental na análise da forma como os gases interagem com os materiais porosos. Esta técnica mede o tempo de vida do positrónio, um estado ligado de um eletrão e um positrão, que é sensível aos volumes livres locais. Em materiais porosos como o CALF-20, os tempos de vida do positrónio indicam os espaços vazios, o seu tamanho e a forma como mudam quando as moléculas de gás começam a preencher os poros", afirma o Prof. Radosław Zaleski da Universidade Maria Curie-Skłodowska de Lublin.
Através do PALS, os investigadores observaram que o CO₂ se reúne inicialmente no centro dos nanoporos do CALF-20, formando um arranjo estruturado antes de aderir às paredes dos poros. Essa progressão se correlaciona com o aumento da pressão de CO₂, confirmando que o PALS pode rastrear as etapas de adsorção molecular em tempo real. O método também revelou que, mesmo depois que o CO₂ preenche os poros, pequenos volumes livres persistem, o que pode ser crítico para aumentar a eficiência da adsorção.
O PALS foi particularmente útil para distinguir como o CO₂ e a água interagem dentro do material. Em condições húmidas, os dados PALS mostraram que a água forma aglomerados isolados a baixa humidade, mas a níveis de humidade mais elevados, forma redes interligadas. "Essas mudanças estruturais afetam a acessibilidade dos poros, mas o CALF-20 mantém sua capacidade significativa de adsorção de CO₂ a uma umidade relativa abaixo de 40 por cento. Os métodos convencionais de adsorção de gás, por si só, teriam dificuldade em resolver estas variações estruturais finas, demonstrando o valor único do PALS na análise das interações dinâmicas gás-material", resume o Prof. Stefan Kaskel da TUD.
O impacto da humidade: Um desafio fundamental na captura de CO₂
Em aplicações industriais, o CO₂ raramente é capturado a partir de fluxos de gás seco - a humidade está quase sempre presente. Isto representa um desafio para muitos materiais, uma vez que as moléculas de água competem frequentemente com o CO₂ pelos locais de adsorção, reduzindo a eficiência.
Através de experiências controladas por humidade in situ, a equipa descobriu que o CALF-20 mantém um desempenho robusto de adsorção de CO₂ mesmo na presença de água, onde o nível de humidade relativa define esta robustez. Com baixa humidade, as moléculas de água permanecem isoladas dentro da estrutura. Esta formação de rede altera o volume livre do material, mas o CO₂ ainda encontra locais de adsorção disponíveis, demonstrando a resiliência do CALF-20 em condições húmidas. Em níveis de humidade cada vez mais elevados, formam redes interligadas de ligações de hidrogénio, permitindo que a absorção de água domine.
Ao integrar o PALS com outras técnicas de caraterização, este estudo fornece uma compreensão abrangente de como o CALF-20 captura CO₂ em diversas condições ambientais. Os resultados sugerem que o CALF-20 pode servir como uma solução escalável e eficiente em termos de energia para a captura industrial de CO₂, particularmente em ambientes onde a umidade representa um desafio. Desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Calgary, o CALF-20 já foi escalado para a produção de vários quilos, tornando-o um forte candidato para aplicações no mundo real.
As implicações vão para além da ciência fundamental - estes conhecimentos podem abrir caminho para a otimização de MOFs da próxima geração para utilização em larga escala em aplicações de captura e armazenamento de carbono (CCS). Outras pesquisas se concentrarão na estabilidade a longo prazo e na integração de processos, aproximando-se da implementação do CALF-20 em estratégias industriais de mitigação de CO₂.
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