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Mikami Environmental Blog

Chemists seek to transform CO2 that would go into the atmosphere into valuable products

Publicado em 18 setembro 2020

One of the ways is the reaction of CO2 with hydrogen gas using metallic catalysts, but the process is challenging

There is a strategic interest in processes to transform carbon dioxide (CO2), a greenhouse gas, into chemicals of commercial value, since the high concentration of carbon dioxide in the atmosphere is identified as one of the main factors responsible for global warming. The capture and transformation of CO2 into valuable products would be a way to reduce its emission. An article published in June in the scientific journal ChemCatChem presented the results of a research carried out at USP's Nanomaterials and Catalysis Laboratory (IQ), in collaboration with several groups in Brazil and abroad, which investigates the structure and performance in catalysis of nickel and palladium alloys.

One way to turn CO2 into chemicals is by reacting carbon dioxide with hydrogen gas - using catalysts. Nickel and palladium are two metals widely used as catalysts in hydrogenation reactions. The research was carried out in collaboration with the Coordination Chemistry Laboratory (LCC, CNRS, France); Institute for Interfacial Catalysis (PNNL, USA); Laboratory of Artificial Photosynthesis and Nanomaterials, from São Carlos Institute of Physics, USP; and the National Nanotechnology Laboratory (LNNano, Campinas).

The conclusion was somewhat surprising, as research has indicated that, depending on the method of preparation, an alloy can be formed between the two metals or not. “Our results show that the synthesis protocol has a decisive role in the performance of the materials obtained in the catalysis”, wrote the authors in the article.

Using an LNNano transmission electron microscope, the researchers saw that two preparation protocols, that is, two different ways of promoting the mixing between the metals, result in materials with very different structures - despite containing the same elements, nickel and palladium.

When the particles, which measure between 3 and 6 nanometers, were prepared by a colloidal method and then immobilized on a support, the formation of an alloy containing the two metals was observed. When a more traditional method was used, involving the direct deposition of the two precursors on the support, there was the formation of particles separated from the two metals, without the formation of an alloy. The material obtained by the more traditional method performed better in catalysis, although apparently the system has a structure not as organized as in the case of alloys.

One of the objectives of the project was to seek a better performance in the transformation of CO2 into carbon monoxide, but mainly not to produce methane (CH4), another greenhouse gas, which can be concomitantly formed in this reaction between CO2 and H2. “Our target is carbon monoxide, which can be more easily transformed into valuable chemicals,” says the professor.

According to Liane, the group will continue to work to improve nickel catalysts and develop nickel alloys with other metals. “We saw that, in fact, palladium was not able to contribute so much to improve the performance of the reaction under study”, he says. For the future, it also intends to develop research in order to convert CO2 directly into value-added products, without going through the carbon monoxide stage. Among the possible products to be made with carbon dioxide are hydrocarbons (fuels), olefins (raw material used in the production of plastics) and alcohols (such as ethanol and methanol), among others.

The work was featured on the cover of the journal ChemCatChem, issue 11/2020, and the summary of the article Structure and activity of supported bimetallic NiPd nanoparticles: influence of preparation method on CO2 reduction can be read at this link.

About RCGI: Fapesp SHELL Research Center for Gas Innovation (RCGI) is a research center financed by the São Paulo State Research Support Foundation (Fapesp) and Shell. It has about 400 researchers working in 46 research projects, divided into five programs: Engineering; Physicochemical; Energy and Economy Policies; CO2 abatement; and Geophysics. The center develops advanced studies on the sustainable use of natural gas, biogas, hydrogen, management, transport, storage and use of CO2.

Academic Communication Agency

More information on the RCGI website.

Published by Jornal da USP * on September 16, 2020

*University of Sao Paulo

(Until next Friday, September 25, 2020)

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MUDANÇAS CLIMÁTICAS (549)

Químicos buscam transformar CO2 que iria para atmosfera em produtos de valor

Um dos caminhos é a reação do CO2 com gás hidrogênio usando catalisadores metálicos, mas o processo é desafiador

Há um interesse estratégico em processos para transformar o dióxido de carbono (CO2), um gás de efeito estufa, em produtos químicos de valor comercial, já que a alta concentração de gás carbônico na atmosfera é apontada como um dos principais responsáveis pelo aquecimento global. A captura e transformação de CO2 em produtos valiosos seria uma forma de reduzir sua emissão. Um artigo publicado em junho na revista científica ChemCatChem apresentou os resultados de uma pesquisa desenvolvida no Laboratório de Nanomateriais e Catálise do Instituto de Química (IQ) da USP, em colaboração com vários grupos do Brasil e exterior, que investiga a estrutura e o desempenho na catálise de ligas formadas por níquel e paládio.

Um dos caminhos para transformar o CO2 em produtos químicos ocorre por meio da reação do dióxido de carbono com gás hidrogênio – com o uso de catalisadores. O níquel e o paládio são dois metais bastante utilizados como catalisadores em reações de hidrogenação. A pesquisa foi realizada em colaboração com o Laboratório de Química de Coordenação (LCC, CNRS, França); Instituto para Catálise Interfacial (PNNL, EUA); Laboratório de Fotossíntese Artificial e Nanomateriais, do Instituto de Física de São Carlos da USP; e o Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano, Campinas).

A conclusão foi de certa forma surpreendente, porque a pesquisa indicou que, dependendo do método de preparação, pode-se formar uma liga entre os dois metais ou não. “Nossos resultados mostram que o protocolo de síntese tem um papel decisivo no desempenho dos materiais obtidos na catálise”, escreveram os autores no artigo.

Usando um microscópio eletrônico de transmissão do LNNano, os pesquisadores viram que dois protocolos de preparação, ou seja, duas formas diferentes de promover a mistura entre os metais, trazem como resultado materiais com estruturas bastante diversas – apesar de conterem os mesmos elementos, níquel e paládio.

Quando as partículas, que medem entre 3 e 6 nanômetros, foram preparadas por um método coloidal e depois imobilizadas sobre um suporte, observou-se a formação de uma liga contendo os dois metais. Quando foi usado um método mais tradicional, envolvendo a deposição direta dos dois precursores sobre o suporte, houve a formação de partículas separadas dos dois metais, sem a formação de uma liga. O material obtido pelo método mais tradicional apresentou um desempenho melhor na catálise, apesar de aparentemente o sistema apresentar uma estrutura não tão organizada quanto no caso das ligas.

Um dos objetivos do projeto era buscar um melhor desempenho na transformação de CO2 em monóxido de carbono, mas principalmente não produzir o metano (CH4), outro gás de efeito estufa, que pode ser concomitantemente formado nessa reação entre o CO2 e o H2. “O nosso alvo é o monóxido de carbono, que pode ser mais facilmente transformado em produtos químicos valiosos”, diz a professora.

Segundo Liane, o grupo continuará trabalhando para melhorar os catalisadores de níquel e desenvolver ligas de níquel com outros metais. “Vimos que, na verdade, o paládio não conseguiu contribuir tanto para melhorar o desempenho na reação em estudo”, diz. Para o futuro, também pretende desenvolver pesquisas a fim de converter o CO2 diretamente para os produtos de valor agregado, sem passar pela etapa do monóxido de carbono. Entre os produtos possíveis de se fazer com o dióxido de carbono estão os hidrocarbonetos (combustíveis), olefinas (matéria-prima usada na produção de plásticos) e alcoóis (como etanol e metanol), entre outros.

O trabalho foi destaque da capa do periódico ChemCatChem, fascículo 11/2020, e o resumo do artigo Structure and activity of supported bimetallic NiPd nanoparticles: influence of preparation method on CO2 reduction pode ser lido nesse link.

Sobre o RCGI: O Fapesp SHELL Research Centre for Gas Innovation (RCGI) é um centro de pesquisa financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e pela Shell. Conta com cerca de 400 pesquisadores que atuam em 46 projetos de pesquisa, divididos em cinco programas: Engenharia; Físico/Química; Políticas de Energia e Economia; Abatimento de CO2; e Geofísica. O centro desenvolve estudos avançados no uso sustentável do gás natural, biogás, hidrogénio, gestão, transporte, armazenamento e uso de CO2.

Da Acadêmica Agência de Comunicação

Mais informações no site do RCGI.

Publicado por Jornal da USP* em 16 de Setembro, 2020

*Universidade de São Paulo

(Até a próxima Sexta-Feira, 25 de Setembro, 2020)