Este novo material de carbono pode tornar a captura de carbono muito mais acessível
Parar a emissão de dióxido de carbono (CO2) antes que ele entre na atmosfera é uma maneira crucial de reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Embora a captura de carbono exista há muitos anos, sua adoção não foi ampla, pois a maioria dos sistemas é cara e ineficiente. Uma abordagem industrial comum, a adsorção com aminas aquosas, exige o aquecimento de grandes quantidades de líquido a temperaturas superiores a 100 °C para liberar o CO2 capturado e reutilizar a solução. Essa alta demanda de energia eleva os custos operacionais e dificulta o uso em larga escala.
Materiais sólidos de carbono têm ganhado atenção como uma opção mais prática. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área de superfície que permite a captura de CO2. Eles também podem liberar o gás usando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, existe uma limitação significativa. Os métodos de fabricação tradicionais colocam esses grupos de nitrogênio de forma aleatória pelo material, dificultando a identificação de quais arranjos específicos levam a um melhor desempenho.
Para enfrentar esse desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Yasuhiro Yamada da Escola de Engenharia e pelo Professor Associado Tomonori Ohba da Escola de Ciências da Universidade de Chiba, Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado ‘viciazitas.’ Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio posicionados próximos uns dos outros de maneira controlada. O estudo, publicado na revista Carbon, teve como coautor o Sr. Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Construindo Viciazitas com Parceria de Nitrogênio Controlada
Os pesquisadores criaram três versões diferentes de viciazitas, cada uma com um tipo único de configuração de nitrogênio vizinho. Para produzir grupos de amina primária adjacentes (-NH2), primeiro aqueceram um composto chamado coroneno, depois o trataram com bromo, seguido de gás amônia. Esse método em três etapas alcançou 76% de seletividade, significando que a maioria dos átomos de nitrogênio foi colocada nas posições pretendidas.
Duas materiais adicionais foram produzidos utilizando compostos iniciais diferentes. Um apresentava nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, enquanto o outro continha nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.
Verificando Estrutura e Testando Desempenho
Cada material foi aplicado a fibras de carbono ativado para criar amostras utilizáveis. A equipe confirmou o posicionamento preciso dos grupos de nitrogênio usando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de fotoelétrons de raios X e modelagem computacional. Esses métodos verificaram que os átomos de nitrogênio estavam posicionados lado a lado, em vez de distribuídos aleatoriamente.
Quando testados, os materiais mostraram diferenças claras de desempenho. Amostras com grupos adjacentes -NH2 e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que fibras de carbono não tratadas. Em contraste, a configuração de nitrogênio piridínico ofereceu pouca melhoria.
Liberar CO2 em Baixa Temperatura Pode Reduzir o Uso de Energia
A descoberta mais notável envolveu a facilidade com que os materiais liberaram CO2. “A avaliação de desempenho revelou que em materiais de carbono onde grupos NH2 são introduzidos adjacentes, a maior parte do CO2 adsorvido é desorvida a temperaturas abaixo de 60 °C. Ao combinar essa propriedade com o calor residual da indústria, pode ser possível alcançar processos de captura de CO2 eficientes com custos operacionais substancialmente reduzidos,” destaca o Dr. Yamada.
O material contendo nitrogênio pirrólico exigiu temperaturas mais altas para liberar CO2, mas pode oferecer melhor estabilidade a longo prazo devido à sua estrutura química mais forte.
Um Novo Caminho em Direção à Captura de Carbono Custo-efetiva
Esse trabalho mostra que é possível organizar grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos de forma confiável, proporcionando uma estratégia clara para o design de materiais de captura de carbono aprimorados. “Nossa motivação é contribuir para a sociedade futura e utilizar nossos materiais de carbono recentemente desenvolvidos com estruturas controladas. Este trabalho fornece caminhos validados para a síntese de materiais de carbono dopados com nitrogênio sob medida, oferecendo o controle em nível molecular essencial para o desenvolvimento de tecnologias de captura de CO2 avançadas e custo-efetivas da próxima geração,” conclui o Dr. Yamada.
Além de capturar CO2, esses materiais viciazitas também poderiam ser usados para outras aplicações, incluindo a remoção de íons metálicos ou atuando como catalisadores, graças às suas propriedades de superfície personalizáveis.
Financiamento e Apoio
Este trabalho foi apoiado pela Mukai Science and Technology Foundation, pela Japan Society for the Promotion of Science (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251), e pela “Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM)” do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT) sob o Grant Number JPMXP1225JI0008.
