Um estudo feito por pesquisadores da Universidade de São Paulo (USP) resultou em um protocolo para melhorar a eficiência de uma etapa crucial da conversão do dióxido de carbono (CO2), um dos principais gases de efeito estufa (GEE), em produtos de alto valor agregado. Nela, o CO2 é transformado em monóxido de carbono (CO) após passar por uma reação química de hidrogenação com o uso de um catalisador de níquel previamente tratado. Os resultados da pesquisa, coordenada por Liane Rossi, professora titular do Instituto de Química da USP, no âmbito do Fapesp Shell Research Centre for Gas Innovation (RCGI), foram publicados no prestigioso Journal of the American Chemical Society (JACS), no dia 4 de março.

“Nós conseguimos melhorar a seletividade do catalisador para produzir exclusivamente CO e elucidar a razão pela qual um catalisador de níquel fica mais eficiente após tratamento em alta temperatura”, afirma Rossi, explicando que a seletividade nesse caso é importante para evitar a produção de metano (CH4), outro GEE, durante o processo.

A conversão do CO2 em moléculas de alto valor agregado tem sido um grande desafio para cientistas que veem na utilização comercial de produtos derivados de CO2 uma saída para diminuir as emissões desse gás que é apontado como um dos principais causadores do efeito estufa e das mudanças climáticas.

Eliminando o indesejado – Diferente do CO2 e do CH4, o CO é mais reativo e um importante intermediário a partir do qual é possível produzir quase tudo que se obtém a partir do petróleo, como combustíveis e precursores para polímeros com as mesmas propriedades dos petroquímicos, além de moléculas oxigenadas utilizadas por outros ramos da indústria química. Um dos possíveis produtos é o querosene de aviação.

O problema é que no processo de hidrogenação do CO2, normalmente obtém-se como produto uma mistura de monóxido de carbono e metano. A proporção muda conforme o catalisador utilizado e de acordo com as condições de temperatura e pressão do processo. Um dos catalisadores mais amplamente utilizado é o de níquel, material barato e abundante que, no entanto, pode levar a uma proporção maior de metano. A produção concomitante de metano é indesejada quando o foco é a produção de hidrocarbonetos de cadeia mais longa, pois reduz o rendimento dos produtos desejados.

Os pesquisadores descobriram que, após ser submetido a temperaturas de 800 graus Celsius, em atmosfera de CO2/H2 ou de metano ou propano, o catalisador passa por uma sutil mudança estrutural, o que possibilita produzir somente monóxido de carbono – evitando-se o metano, mesmo em uma temperatura ótima para sua formação.

De acordo com Rossi, a elevação da temperatura leva à formação de carbeto de níquel (Ni3C) na superfície do catalisador e é isso que faz toda a diferença na reação de hidrogenação. “Há uma mudança da interação do CO com a superfície do catalisador, de forma que, com o carbeto, é como se o CO formado logo fosse expulso dessa superfície, sem ser convertido em metano pela reação com os hidrogênios que estão também adsorvidos na superfície do catalisador – os hidretos, como chamamos”, explica.

Segundo Rossi, a formação de carbeto de níquel é uma etapa crucial para a produção de monóxido de carbono, a partir de CO2, sem ser transformado em seguida em metano. Essa hipótese foi formulada com base nos resultados obtidos experimentalmente e confirmados por cálculos teóricos. Os pesquisadores puderam estudar a superfície do catalisador em condições muito próximas das operacionais (in operando) no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) e no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), em Campinas (SP), e no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), nos Estado Unidos.

O estudo teve a contribuição de membros do grupo da professora Rossi e de pesquisadores do Instituto de Física da USP de São Paulo e São Carlos, e do PNNL. Para os autores do trabalho, a publicação no JACS, um dos maiores e melhores jornais de química do mundo, fundado pela Sociedade Americana de Química em 1879, é um reconhecimento da importância desse estudo. “É ainda raro um pesquisador brasileiro ter um trabalho seu publicado nesse jornal; isso trará visibilidade ao trabalho realizado e à ciência brasileira”, afirma a professora do IQ-USP.

Próximo passo – De acordo com a professora, a pesquisa agora seguirá analisando como outros fatores – a pressão dos gases dentro do reator, por exemplo – interferem no processo, de modo a estabelecer a melhor condição para o funcionamento dos catalisadores de níquel. Em seguida, avançará para o possível desenvolvimento de um processo integrado que primeiro transforme CO2 em CO e depois em produtos químicos de maior valor. “Daqui pra frente, vamos montar as partes para, partindo do CO2, chegar a produtos de interesse comercial.”

Os pesquisadores estão trabalhando para agregar valor ao CO2 e assim mostrar que pode ser mais benéfico usá-lo como matéria-prima do que simplesmente jogá-lo na atmosfera, servindo como um estímulo para mitigar as emissões.

O resumo do artigo Optimizing Active Sites for High CO Selectivity during CO2 Hydrogenation over Supported Nickel Catalysts pode ser lido em https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c12689.