Laboratório Nacional
de Luz Síncrotron

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C Ciência Conversão seletiva de $\rm CO_2$ em $\rm CO$ VOLTAR

Em 2016, a concentração de gás carbônico ($\rm CO_2$) na atmosfera ultrapassou 400 ppm (partes por milhão), e tem aumentado ano a ano desde o início da revolução industrial, quando a atividade humana passou a injetar na atmosfera mais carbono que o que o meio ambiente é capaz de absorver. O aumento da concentração tanto de ($\rm CO_2$) quanto de outros gases causadores do efeito estufa na atmosfera é atualmente considerado o principal responsável pela elevação na temperatura média do planeta, que leva à intensificação de episódios climáticos extremos.

Devido a isso, a procura tanto por fontes de energia alternativas que diminuam o consumo de combustíveis fósseis quanto por métodos de diminuir o impacto da superprodução de gás carbônico tem se intensificado nos últimos anos. Um exemplo é a transformação do $\rm CO_2$ em hidrocarbonetos para a produção de combustíveis e insumos para a indústria química.

Existem diversas formas de se transformar $\rm CO_2$ em hidrocarbonetos. Parte delas necessita como passo intermediário a conversão de $\rm CO_2$ em monóxido de carbono ($\rm CO$), e a reação de deslocamento gás-água reversa ($\rm CO_2 + H_2 \rightleftharpoons CO + H_2O $), ou RWGS (a sigla em inglês para Reverse Water Gas Shift), é uma das principais formas de realizar essa conversão. $\rm CO$ produzido desta forma controlada pode ser convertido em hidrocarbonetos através da chamada síntese de Fischer-Tropsch.

No entanto, a conversão de $\rm CO_2$ em $\rm CO$ em escala industrial e de forma eficiente depende do uso de catalisadores que tornem o processo mais seletivo, isto é, que evitem a produção significativa de outros produtos além do monóxido de carbono, como o metano ($\rm CH_4$) que é produzido na reação de metanação, que pode acontecer concomitantemente à reação RWGS.


Figura 1: Conversão de $\rm CO_2$ em $\rm CO$ e $\rm CH_4$ com o uso do catalisador $\rm Ni/nSiO_2$ em função da temperatura da usando diferentes razões entre os gases $CO_2:H_2$: 1:4 (preto) e 1:1 (azul).

Um grupo de pesquisadores da Universidade de São Paulo, Universidade de Lille (Lille, França) e dos Laboratórios Nacionais de Luz Síncrotron (LNLS) e de Nanotecnologia (LNNano) utilizaram as instalações do LNLS para analisar catalisadores de níquel $\rm Ni$ nanoparticulado para realizar essa conversão de $\rm CO_2$ em monóxido de carbono ($\rm CO$).

Os pesquisadores utilizaram nanoesferas de sílica ($\rm nSiO_2$) como suporte para o catalisador. O pequeno tamanho do suporte aumenta a área superficial disponível para a deposição do $\rm Ni$. A deposição foi feita por meio da técnica de pulverização catódica que permite controlar o tamanho e a composição das partículas metálicas de forma mais eficiente que os métodos típicos de deposição por impregnação.

O catalisador de $\rm Ni/nSiO_2$ foi utilizado na reação RWGS com diferentes proporções entre os gases $\rm CO_2$ e $\rm H_2$. A produção de $\rm CO$ foi predominante em toda a faixa de temperaturas estudada, com baixíssima produção de metano. Acima de 600°C, $\rm CO$ foi o único produto observado com conversões próximas a do equilíbrio termodinâmico. Nos estudos de estabilidade, o catalisador apresentou uma taxa de conversão de 64% com 100% de seletividade para $\rm CO$ durante 40 horas e ainda mostrou atividade estável entre dois ciclos térmicos.

A Linha de Luz SAXS1 de Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos do LNLS foi utilizada para a análise do tamanho das nanoesferas de sílica e a Linha de Luz XAFS1 de Espectroscopia por Absorção e Fluorescência de Raios X foi empregada para analisar a fase ativa do catalisador como preparado e em diferentes temperaturas nas condições de operação da reação RWGS.

A alta conversão e seletividade para a reação RWGS e estabilidade por longos períodos apresentadas pelo catalisador desenvolvido pelo grupo é um passo bem-sucedido na conversão de $ \rm CO_2$ em $\rm CO$ para a subsequente produção de hidrocarbonetos.

Fonte: Renato V. Gonçalves, Lucas L.R. Vono, Robert Wojcieszak, Carlos S.B. Dias, Heberton Wender, Erico Teixeira-Neto, Liane M. Rossi, Selective hydrogenation of $ \rm CO_2$ into $\rm CO$ on a highly dispersed nickel catalyst obtained by magnetron sputtering deposition: A step towards liquid fuels, Applied Catalysis B: Environmental, v. 209, p. 240-246. DOI: 10.1016/j.apcatb.2017.02.081.