Este novo material de carbono pode tornar a captura de carbono muito mais acessível
Impedir que o dióxido de carbono (CO2) 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 ainda é limitada, pois a maioria dos sistemas é cara e ineficiente. Um método industrial comum, a lavagem 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 energética eleva os custos operacionais e dificulta o uso em larga escala.
Materiais sólidos de carbono têm atraído atenção como uma opção mais viável. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área de superfície que permite a captura do CO2. Eles também podem liberar o gás usando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, existe uma limitação chave. Métodos tradicionais de fabricação distribuem esses grupos de nitrogênio aleatoriamente pelo material, tornando difícil identificar quais arranjos específicos levam a um desempenho superior.
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, no Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado ‘viciazitas.’ Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio posicionados de forma controlada e em proximidade. O estudo, publicado na revista Carbon, teve a coautoria de Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Desenvolvendo Viciazitas com Agrupamento Controlado de Nitrogênio
Os pesquisadores criaram três versões distintas de viciazitas, cada uma apresentando um tipo único de configuração de nitrogênio vizinho. Para gerar grupos de amina primária adjacentes (-NH2), eles primeiro aqueceram um composto chamado coroneno, depois trataram-no com bromo e, por fim, com gás amônia. Este método em três etapas alcançou 76% de seletividade, significando que a maioria dos átomos de nitrogênio foi colocada nas posições desejadas.
Dois materiais adicionais foram produzidos utilizando diferentes compostos iniciais. Um apresentava nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, enquanto o outro continha nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.
Verificação de Estrutura e Avaliação de Desempenho
Cada material foi aplicado a fibras de carbono ativadas para produzir amostras utilizáveis. A equipe confirmou a colocação precisa dos grupos de nitrogênio utilizando 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.
Nos testes, os materiais apresentaram diferenças de desempenho claras. Amostras com grupos -NH2 adjacentes e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que fibras de carbono não tratadas. Em contraste, a configuração de nitrogênio piridínico não trouxe melhorias significativas.
Liberação de CO2 a Baixas Temperaturas Pode Reduzir Consumo de Energia
A descoberta mais significativa foi a facilidade com que os materiais liberaram CO2. “A avaliação de desempenho revelou que nos materiais de carbono onde os grupos NH2 são introduzidos de forma adjacente, a maior parte do CO2 adsorvido se desorbe a temperaturas abaixo de 60 °C. Ao combinar esta propriedade com o calor residual industrial, pode ser possível alcançar processos de captura de CO2 eficientes com custos operacionais substancialmente reduzidos”, destaca o Dr. Yamada.
O material que continha nitrogênio pirrólico exigiu temperaturas mais altas para liberar CO2, mas pode oferecer melhor estabilidade a longo prazo devido à sua estrutura química mais robusta.
Uma Nova Abordagem para Captura de Carbono Eficiente
Este trabalho demonstra que é possível dispor grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos de maneira confiável, oferecendo uma estratégia clara para o desenvolvimento de materiais melhorados para captura de carbono. “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 sintetizar materiais de carbono dopados com nitrogênio, oferecendo o controle em nível molecular essencial para desenvolver tecnologias de captura de CO2 de próxima geração, avançadas e econômicas”, conclui o Dr. Yamada.
Além da captura de CO2, esses materiais viciazitas também podem ser utilizados em 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 Fundação Mukai de Ciência e Tecnologia, pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251) e pela “Infraestrutura de Pesquisa Avançada para Materiais e Nanotecnologia no Japão (ARIM)” do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT) sob o Número de Protocolo JPMXP1225JI0008.
