Para capturar as emissões de metano, os cientistas criam catalisadores nanoshell

Uma equipa de investigação liderada pela Universidade de Buffalo está a desenvolver novos catalisadores que visam transformar as emissões de metano que provocam o aquecimento climático em produtos comerciais úteis.

O trabalho, descrito no mês passado em Comunicações da Naturezapoderá impactar inúmeras indústrias – incluindo a produção de gás natural e petróleo bruto, a pecuária, os aterros sanitários e a mineração de carvão – onde o metano é um subproduto.

“Há uma oportunidade com o metano para causar um impacto mais imediato na redução das emissões que provocam o aquecimento climático. Estamos trabalhando em uma solução econômica para transformar esse subproduto industrial em bens valiosos, como matérias-primas químicas”, diz o autor principal, Mark T. Swihart, professor ilustre da SUNY e presidente do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB.

Swihart, também professor de inovação do SUNY Empire e membro do corpo docente do RENEW Institute da UB, acrescentou que a tecnologia tem aplicações mais amplas em semicondutores, biotecnologia, eletroquímica e outros campos que necessitam de materiais novos e aprimorados.

Shuo Liu, Ph.D. candidato no laboratório de Swihart, é o primeiro autor do estudo. Os co-autores incluem Jeffery J. Urban, Ph.D., Chaochao Dun, Ph.D., Jinghua Guo, Ph.D., todos membros do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Feipeng Yang, Ph.D., que estava em Berkeley durante os experimentos, mas agora trabalha no Laboratório Nacional de Brookhaven; Qike Jiang, da Universidade Westlake, na China; e Zhengxi Xuan, UB Ph.D. estudante.

A captura de metano fica atrás da captura de carbono

O metano é o segundo gás de efeito estufa mais abundante e o principal componente do gás natural. Dura apenas algumas décadas na atmosfera da Terra, em comparação com séculos para o dióxido de carbono, mas o metano retém 80 vezes mais calor.

Durante décadas, os cientistas têm lutado para desenvolver formas baratas de converter metano em produtos úteis sem produzir dióxido de carbono.

Uma solução possível é a reforma a seco, um processo industrial que pode converter tanto o metano como o dióxido de carbono em matérias-primas químicas, que são matérias-primas que os fabricantes podem utilizar para criar ou processar outros produtos.

Mas a reforma a seco do metano não é comercialmente viável porque os catalisadores existentes à base de níquel param de funcionar quando as suas partículas cataliticamente ativas ficam cobertas por depósitos de carbono (coque) ou se combinam em partículas maiores e menos ativas (sinterização). A maioria dos catalisadores também exige procedimentos de produção complexos.

Equipe usa reator de chama exclusivo

Para superar esses problemas, a equipe utilizou um reator de chama exclusivo desenvolvido no laboratório de Swihart que cria catalisadores em uma única etapa. Este processo baseado em aerossol permitiu aos cientistas explorar diferentes catalisadores à base de níquel, que neste caso são minúsculas partículas esféricas chamadas nanoconchas.

“O principal avanço é o método de síntese de aerossol de chama”, diz Liu. “Isso nos permite superar as limitações tradicionais e criar materiais de outra forma inacessíveis com propriedades novas.”

O método produziu seus catalisadores de maior desempenho por meio do que a equipe de pesquisa chama de processo de “exosolução encapsulada”, no qual nanopartículas de níquel se formaram dentro dos poros de um invólucro de óxido de alumínio, e não em sua superfície. Este fenómeno ajuda a construir um material mais estável que, por sua vez, cria um catalisador mais durável.

Em experiências, a equipa relatou que, ao longo de 640 horas a 800°C, os catalisadores permaneceram eficazes, convertendo 96% do metano e do dióxido de carbono nos produtos desejados. Os resultados, diz a equipe, superam dramaticamente o desempenho dos catalisadores convencionais.

O método de produção sugere um caminho a seguir não apenas para catalisadores melhorados, mas para outros campos em que são necessários novos materiais. Isso inclui entrega, detecção e detecção de medicamentos, armazenamento e conversão de energia e revestimentos e modificadores de superfície, diz Swihart.