Produção de combustíveis a partir da luz solar
"Funciona como uma corrida de estafetas perfeitamente sincronizada"
O oceano é o maior sumidouro dinâmico de carbono da Terra, absorvendo 400 milhões de toneladas de dióxido de carbono (CO₂) por ano através da troca contínua com a atmosfera. Os investigadores de Yale desenvolveram agora um sistema eficiente para extrair e converter o CO₂ dissolvido em combustíveis limpos e matéria-prima industrial útil. Publicado na Nature Communications, este avanço pode transformar a água do mar numa fonte sustentável de produtos à base de carbono, ao mesmo tempo que ajuda a equilibrar os níveis de CO₂ oceânico.
O professor Shu Hu, do departamento de engenharia química e ambiental e membro do Instituto de Ciências Energéticas de Yale, liderou o projeto e descreve o sistema como uma "captura e conversão de carbono baseada no oceano e impulsionada pela energia solar". Ou, mais simplesmente, está a produzir "combustíveis a partir da luz solar". A equipa utiliza a luz solar para transformar o carbono dissolvido na água do mar em syngas - um gás de síntese composto por monóxido de carbono (CO) e hidrogénio. Este composto versátil é um elemento fundamental para a produção de químicos e combustíveis industriais valiosos.
Os esforços anteriores para aproveitar a energia solar para converter o carbono dissolvido da água do mar em produtos úteis enfrentaram desafios significativos. A concentração extremamente baixa de iões carbonato na água do mar dificulta a obtenção de uma elevada eficiência energética e a formação selectiva de produtos. Além disso, os reactores existentes estão limitados a experiências à escala laboratorial. Para além dos catalisadores, é necessário um design de reator capaz de funcionar continuamente e em grande escala para utilizar verdadeiramente o dióxido de carbono da água do mar.
Com base na experiência do grupo Hu na conceção da fotocatálise e do reator que maximiza a utilização da luz para a transformação química, desenvolveram um novo dispositivo fotoelectroquímico. Este utiliza apenas a luz solar para transformar o carbono dissolvido na água do mar - principalmente bicarbonato - em gás de síntese. O processo imita a forma como a fotossíntese funciona nos ecossistemas oceânicos e atinge uma eficiência de 0,71% de energia solar para combustível, que é semelhante à forma como as algas marinhas convertem o carbono. Ainda mais surpreendente é a descoberta da equipa de que, apesar da concentração quase nula de carbonato na água do mar, a seletividade da reação pode ser dramaticamente influenciada pelo campo de fluxo no interior do reator. Na água do mar estática, o teor de CO no produto era de apenas 3%. No entanto, sob as condições de fluxo controlado no interior do reator, a proporção de CO aumentou para 21%.
"Funciona como uma corrida de estafetas perfeitamente sincronizada", explicou Xiang Shi, coautor do estudo e estudante de pós-graduação no laboratório de Hu. "O ânodo passa prótons e CO₂ para o cátodo, que então corre em direção à linha de chegada - conversão. Este trabalho de equipa conduz toda a reação até à sua conclusão de forma eficiente. Conseguimos isto concebendo o reator de modo a que o fluxo passe primeiro pelos ânodos, onde a água é oxidada e os protões são libertados. Esses prótons são transportados pelo fluxo, desencadeando uma cascata de reações ao longo do caminho que convertem bicarbonato em CO₂ dissolvido, que é então transportado para os cátodos a jusante e reduzido.
Através desta abordagem, eles projetaram o processo de transferência de massa da reação, regulando o fluxo que chega à superfície do eletrodo. Desta forma, não só conseguiram remover o dióxido de carbono da água do mar, como também utilizaram a luz solar para gerar combustível diretamente do oceano.
A seguir, os investigadores planeiam aperfeiçoar a tecnologia do sistema e, em última análise, transformá-lo num reator industrial de grande escala. A conceção modular do reator permite que estas células de fluxo sejam montadas em conjuntos flutuantes à escala de um metro quadrado. Estes reactores flutuantes aproveitam os movimentos naturais das marés e as correntes oceânicas para fazer circular passivamente a água do mar através do sistema. À medida que a água do mar flui através dos reactores, estes convertem continuamente o CO₂ dissolvido em gás de síntese sob a luz solar, que pode ser recolhido e transportado para instalações industriais para utilização a jusante na síntese química ou na produção de combustível.
"Esperamos construir reactores flutuantes de grande escala no mar para podermos utilizar diretamente a luz solar e a água do mar para produzir combustíveis solares", disse Hu.
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