De um «cracking» mais limpo ao ouro negro
Uma startup da Universidade de Pittsburgh descobre um método mais ecológico e mais eficiente para produzir grafite de qualidade para baterias e hidrogénio
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No laboratório de Götz Veser, na Escola de Engenharia Swanson da Universidade de Pittsburgh, o então doutorando Aime Laurent Twizerimana estava a bombear etano através de metal fundido a temperaturas inferiores a 1 000 graus Celsius quando algo inesperado aconteceu. O subproduto de carbono que subiu à superfície parecia «fofo». Esse subproduto revelou-se grafite de alta qualidade.
(da esquerda para a direita): Nader Sawtarie, Götz Veser, Aime Laurent Twizerimana e Mohammad Masnadi no laboratório de Veser.
Thomas Altany, University of Pittsburgh
Enquanto investigava uma forma mais limpa e eficiente de produzir etileno, Twizerimana tinha descoberto o novo «ouro negro», como a grafite é conhecida nas indústrias de alta tecnologia e automóvel. Esta grafite é um ingrediente fundamental nas baterias de iões de lítio, essenciais para veículos elétricos, eletrónica moderna e armazenamento de energia verde. No entanto, os métodos atuais de produção de grafite, que exigem temperaturas de 3 000 ºC, estão longe de ser energeticamente eficientes e, atualmente, 95 por cento do material provém da China.
Reconhecendo a necessidade de produzir grafite e hidrogénio a nível nacional de forma mais eficiente, a equipa da Universidade de Pittsburgh composta por Veser e Twizerimana, juntamente com o professor assistente Mohammad Masnadi e o doutorando Nader Sawtarie, registou uma patente provisória e lançou a startup Graphonos Materials (anteriormente Grapheon). A empresa demonstrou a sua tecnologia inovadora em laboratório e chamou a atenção de investidores de capital de risco, mais recentemente na Rice Business Plan Competition, onde ganhou o Prémio Aramco Innovator no valor de 20 000 dólares.
Uma descoberta inesperada
«Um obstáculo na transição para uma energia mais limpa é a atitude de que ou se está a favor ou contra as energias renováveis», afirmou Veser, professor de engenharia química e petrolífera na Swanson School e bolseiro do corpo docente Leonard Peters no Programa de Economia Circular da Covestro. «A minha investigação explora formas de ligar o processamento de combustíveis fósseis a um futuro mais sustentável, apoiando esta transição.»
Juntamente com Masnadi, que atualmente também ocupa o cargo de diretor de sustentabilidade da Graphonos Materials, Veser tem vindo a investigar novos métodos para separar, ou «craquear», o etano, um dos principais componentes do gás natural encontrado no oeste da Pensilvânia. A craqueação do etano em etileno requer calor e gera carbono sólido a partir de reações secundárias, sendo que a abordagem mais comum envolve a injeção de vapor num reator para evitar o entupimento dos tubos do reator.
«É um processo que consome muita energia e gera muitas emissões, em que a acumulação de carbono no reator exige paragens regulares do processo para limpeza», afirmou Veser, que também é diretor de tecnologia da Graphonos Materials. «Na procura de uma alternativa mais limpa, recorremos à catálise com metal fundido, uma técnica que não é amplamente utilizada, mas que já existe há quase um século.»
Em vez de utilizarem um catalisador metálico sólido, os investigadores bombearam o etano através de metal fundido, onde este sofre desidrogenação. «Os metais fundidos têm uma vantagem incrível», afirmou Masnadi. «Devido à densidade extrema dos metais líquidos, o carbono flutua e fica depositado na superfície.»
Para a sua investigação de doutoramento, Twizerimana, atualmente CEO da Graphonos Materials e investigador de pós-doutoramento na Swanson School, estava a estudar este processo. Como ele disse: «Estava a chegar ao fim do meu doutoramento e percebi que, com alguns dos metais que utilizávamos, o carbono que se formava saía de forma diferente, mais fofo. Decidimos analisar isso mais de perto.»
Twizerimana recorreu a Sawtarie, um colega de doutoramento que investigava as propriedades únicas dos metais 2D no Laboratório de Nanoiónica e Eletrónica da professora Susan Fullerton. «Parte da minha investigação de doutoramento envolveu o grafeno, uma forma de grafite», disse Sawtarie, diretor de produto da Graphonos Materials. «Caracterizei o subproduto, que se revelou incrivelmente valioso.»
Uma viagem ao «Super Bowl»
«Enquanto procurávamos novas formas de decompor o etano, descobrimos que podíamos produzir grafite com qualidade para baterias aquecendo o etano a temperaturas inferiores a 1 000 ºC», disse Twizerimana. «Produzimos grafite num processo mais sustentável e economicamente competitivo, com o hidrogénio a ser gerado como um coproduto valioso.»
Atualmente, a maior parte da grafite com qualidade para baterias é produzida na China através de um processo extremamente intensivo em energia. O coque de petróleo cristalino, denominado «coque em agulha», é aquecido a 3 000 ºC num processo descontínuo muito lento, em que um único lote pode demorar até três semanas. Existem produtores nacionais de grafite que utilizam este processo intensivo, mas a grafite é mais cara do que na China, que domina o mercado.
A equipa da Pitt desenvolveu e validou um processo que envolveu dois laboratórios da Swanson School e produziu dois ingredientes-chave para um futuro energético mais limpo. Ao lançarem a Graphonos Materials, encontraram um apoio valioso no Big Idea Center da Pitt. O Centro ajuda estudantes e docentes empreendedores a concretizar as suas ideias e a desenvolver e apresentar as suas propostas.
Este apoio ajudaria a conduzir a Graphonos Materials ao que o professor Christopher Wilmer, da Universidade de Pittsburgh, denomina «o Super Bowl das competições de apresentações». Das mais de 550 equipas de todo o mundo que se candidataram para competir na Rice Business Plan Competition, 41 foram selecionadas, juntamente com a Graphonos Materials.
Em abril deste ano, na competição, foram uma das 15 equipas a chegar às meias-finais e uma das duas equipas a conquistar o Prémio Aramco Innovator, no valor de 20 000 dólares. Segundo a Aramco Ventures, este prémio «reconhece as soluções mais inovadoras e de maior impacto na competição deste ano e celebra os empreendedores que personificam este espírito de descoberta e excelência técnica».
Na Universidade de Pittsburgh, a equipa também ganhou o Grande Prémio da Competição «Big Idea», no valor de 25 000 dólares. Em conjunto, os prémios validaram o seu trabalho e o seu potencial para transformar a forma como o grafite e o hidrogénio são produzidos. «Aprendemos que existe uma forte necessidade de grafite sustentável e de baixo custo no mercado», afirmou Twizerimana. «Agora é o momento certo para a satisfazer.»
«Estamos a angariar fundos para desenvolver o nosso primeiro sistema de bancada totalmente integrado, que nos permitirá produzir quilogramas por dia e nos dará a base de engenharia necessária para conceber uma unidade piloto», afirmou Veser. Se for bem-sucedido, permitirá à equipa transformar o etano do oeste da Pensilvânia em dois produtos essenciais para a transição para uma energia mais limpa, aqui mesmo em Pittsburgh.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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