A nanoprata como eletrocatalisador para a redução do CO₂
A célula de eletrólise produz CO, hidrogénio e ácido fórmico em simultâneo
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Através da eletrólise, o CO₂ pode ser reduzido a CO, uma matéria-prima para outros produtos químicos, tais como combustíveis. No âmbito do Projeto GreenQuest, uma equipa internacional liderada pelo químico Prashanth Menezes, do HZB, investigou agora de forma sistemática camadas catalisadoras constituídas por nanopartículas de prata, variando tanto o tamanho das partículas como a sua densidade. O melhor rendimento foi alcançado com nanopartículas com diâmetros de cerca de 10 nm, distribuídas de forma dispersa. Além disso, demonstraram como a eficiência económica da célula eletroquímica pode ser melhorada através da integração de uma reação química adicional no ânodo, permitindo a produção simultânea de ácido fórmico, hidrogénio e CO num único dispositivo.
As nanopartículas de prata com diâmetros de cerca de 10 nm apresentam o melhor desempenho como eletrocatalisadores. As partículas de prata são pulverizadas sobre o elétrodo juntamente com um pó de carbono condutor. A mistura ideal é composta por 20% em massa de prata e 80% em massa de pó de carbono. Esta imagem foi obtida através de um microscópio eletrónico de transmissão (TEM).
© HZB
O gás com efeito de estufa CO₂ pode ser reduzido eletroliticamente a monóxido de carbono (CO) utilizando energia elétrica. Em etapas subsequentes, o CO e o H₂ gerados através de processos eletroquímicos formam gás de síntese, que é posteriormente convertido em DME e, por sua vez, transformado cataliticamente em gás de depólio verde (LFG), composto principalmente por propano (C₃H₈) e butano (C₄H₁₀). Desde que a energia elétrica para a eletrólise seja gerada a partir de energia solar ou eólica, esta tecnologia pode ser considerada neutra em carbono, uma vez que o CO₂ é, por assim dizer, reciclado. Equipas do HZB estão a colaborar com instituições parceiras na África do Sul nesta tecnologia no âmbito do projeto GreenQUEST. O seu objetivo é desenvolver um combustível de cozinha «verde» (gLFG) acessível e sustentável como alternativa mais limpa à cozinha tradicional à base de biomassa, particularmente nas regiões rurais da África do Sul, onde a lenha continua a ser uma importante fonte de energia doméstica.
Uma equipa liderada pelo Dr. Prashanth Menezes, do HZB, demonstrou agora uma forma de melhorar a eficiência e a relação custo-benefício da redução eletrolítica do CO₂ em CO. Investigaram sistematicamente camadas catalisadoras compostas por nanopartículas de prata, variando tanto o tamanho das partículas como a sua densidade sobre um material de pó de carbono que reveste o elétrodo de carbono.
«Já sabíamos que nanopartículas demasiado pequenas promovem a evolução de hidrogénio, o que reduz o rendimento de monóxido de carbono. Por outro lado, nanopartículas demasiado grandes são cataliticamente menos ativas. Queríamos identificar o ponto ótimo exato», afirma o Dr. Niklas Hausmann, coautor do estudo. O seu estudo revela que o melhor rendimento foi alcançado com nanopartículas com diâmetros de cerca de 10 nm, distribuídas de forma dispersa sobre o material de carbono (0,2 mg por centímetro quadrado de elétrodo).
Um segundo passo trouxe uma melhoria adicional: enquanto o dióxido de carbono é reduzido a monóxido de carbono no cátodo, ocorre normalmente uma reação de evolução de oxigénio no ânodo. Esta reação de evolução de oxigénio consome uma grande quantidade de energia, que tem de ser fornecida por eletricidade, e produz apenas oxigénio, que não tem valor económico. A equipa demonstrou agora que, ao adicionar aldeídos ao eletrólito, a reação de evolução de oxigénio pode ser substituída por uma reação de oxidação de aldeídos. Isto reduz o consumo de energia de todo o processo em mais de 30 %. Além disso, em vez de oxigénio, são produzidos hidrogénio útil e ácidos carboxílicos valiosos, como o ácido fórmico.
O catalisador otimizado à base de nanopartículas de prata apresentou uma eficiência faradaica de quase 100 % para o CO durante um período notavelmente longo de 100 horas. Investigações utilizando espectroscopia fotoelétrica de raios X confirmaram que a estrutura eletrónica e química das partículas ativas de prata permanece amplamente estável durante o funcionamento.
«Se combinarmos a produção de CO com a geração de hidrogénio e a formação simultânea de outros produtos químicos de valor acrescentado, como o ácido fórmico, podemos melhorar o valor global do processo eletroquímico. O CO e o hidrogénio podem servir como blocos de construção para a produção subsequente de combustíveis e produtos químicos sustentáveis», afirma Menezes.
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