Transformar poluição em combustível é o que se pretende com um processo denominado hidrogenação do dióxido de carbono (CO2), que transforma o CO2 – um dos principais gases de efeito estufa – em produtos químicos e combustíveis renováveis. Um dos produtos mais importantes é o metanol, um composto versátil utilizado em tudo, desde plásticos até combustíveis.

Também é possível produzir outros compostos: como o metano, que pode ser injetado diretamente em gasodutos de gás natural, além de hidrocarbonetos de cadeias maiores, que podem ser usados como gasolina ou combustível de aviação. Isso abre a possibilidade de criar os chamados e-combustíveis, alternativas sustentáveis aos combustíveis fósseis tradicionais.

Um consórcio internacional que contou com a participação de Liane Rossi, diretora do Programa Captura e Conversão de Carbono (CCU) do Centro de Pesquisa para Inovação em Gases de Efeito Estufa (RCGI) e docente do Instituto de Química da Universidade de São Paulo (USP), apresenta um panorama sobre o assunto em artigo publicado na revista Science.

O RCGI é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), atualmente apoiado por diversas empresas.

“Precisamos repensar nossa relação com o dióxido de carbono”, defende Robert Wojcieszak, pesquisador sênior do Centre National de la Recherche Scientifique [França] e um dos autores do artigo. “Em vez de vê-lo como um resíduo, podemos capturar o CO2 de fontes industriais ou até mesmo diretamente do ar e usá-lo como um valioso bloco de construção de carbono.”

A superfície das partículas catalíticas captura as moléculas de CO2 e hidrogênio, enfraquecendo as ligações fortes que as mantêm unidas. Isso permite que os átomos se reorganizem e formem novas ligações, criando os produtos desejados. Os cientistas estão constantemente trabalhando para desenvolver catalisadores melhores.

O artigo analisou o metanol como solução verde para aviação e transporte marítimo. Desde a década de 1940, usa-se o catalisador CuZnAl (CZA) para produzir metanol. Ele se tornou o padrão da indústria porque é eficiente. No entanto, “ao usar o CZA, o processo catalítico tem uma peculiaridade: ele prefere uma reação diferente em vez de converter diretamente o CO2 em metanol. Isso significa que ele não usa o CO2 de maneira tão eficiente quanto gostaríamos", explica Andrew Beale, professor do University College London (Reino Unido) e coautor do artigo.

Outro problema do CZA é a agregação. Com o tempo, as partículas catalíticas se agrupam, reduzindo sua área de superfície e tornando-se menos eficazes. Nikolaos Dimitratos, professor da Universidade de Bolonha (Itália), acrescenta: “Os catalisadores que inicialmente são mais ativos [e geralmente contêm mais cobre] também são os que se agregam mais rapidamente”.

Assim, embora o CZA seja um ótimo catalisador, seu desempenho diminui ao longo do tempo. Os cientistas estão buscando catalisadores ainda melhores, que possam usar o CO2 de forma mais eficiente e que durem mais. A hidrogenação do CO2 pode fornecer e-combustíveis limpos para setores difíceis de eletrificar diretamente, como a aviação e o transporte marítimo.

Novos catalisadores

O artigo destaca que cientistas estão explorando novas formulações para catalisadores e aqueles à base de óxido de índio estão mostrando grande potencial. Pesquisas recentes indicam que mais de 85% desses novos catalisadores podem converter CO2 em metanol com mais de 50% de eficiência.

“A boa notícia é que a produção de metanol está melhorando cada vez mais”, afirma Jingyun Je, professor da Duquesne University (Estados Unidos). O catalisador mais visado atualmente é composto por cobre, óxido de zinco, óxido de manganês e um suporte especial chamado KIT-6. Esse catalisador pode operar a uma temperatura relativamente baixa (180°C) e transformar o CO2 em metanol com alta eficiência.

No entanto, como explica Rossi, “o objetivo final vai além de apenas produzir metanol, trata-se de construir um futuro sustentável alimentado por muitos produtos derivados do CO2. A chave está no desenvolvimento de catalisadores inovadores. Avançando na hidrogenação do CO2, podemos reduzir as emissões de gases de efeito estufa, especialmente quando usamos energia renovável para impulsionar o processo”.

Isso não significa que seja uma solução mágica. Existem desafios e compensações a considerar. Seja a origem do CO2 de uma fábrica ou capturado diretamente do ar, a tecnologia utilizada para convertê-lo e a aplicação final do produto como combustível podem impactar significativamente a pegada ambiental geral.

Perspectivas

No artigo, os cientistas detalham os principais fatores que influenciam a atividade de catalisadores heterogêneos na hidrogenação do CO2 para metanol. Eles destacam diferentes estratégias para aumentar a estabilidade dos catalisadores e melhorar suas propriedades de hidrogenação, reunindo os avanços mais significativos dos últimos cinco anos e os desafios para o desenvolvimento de formulações mais eficientes. Aspectos históricos e mecanísticos da hidrogenação do CO2 também são discutidos.

Alternativas, como catalisadores de paládio-índio, estão sendo estudadas, mas o custo ainda é um grande obstáculo. Apesar desses desafios, os avanços no design de catalisadores e nas técnicas de análise de materiais estão abrindo caminho para um futuro energético mais limpo, impulsionado pela hidrogenação do CO2.

“Ainda temos dificuldade em entender as reações em nível molecular, e os mecanismos de desativação dos catalisadores, como sinterização, envenenamento e formação de coque, não são bem compreendidos”, conclui Wojcieszak.

Entretanto, os cientistas acreditam que avanços futuros são possíveis. O aumento do poder de computação, especialmente com inteligência artificial e computação quântica, combinado com grandes volumes de dados permitirão simulações mais precisas e um melhor entendimento do comportamento dos catalisadores. Ao mesmo tempo, novas técnicas de caracterização em tempo real fornecerão conhecimentos mais detalhados sobre os sítios ativos e os mecanismos de reação.

O artigo “Hydrogenation of CO2 for sustainable fuel and chemical production” pode ser lido clicando aqui.