Impedir que o dióxido de carbono (CO2) entre na atmosfera é uma abordagem crucial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa. Embora a captura de carbono já exista há bastante tempo, sua adoção em larga escala ainda é limitada, pois a maioria dos sistemas é cara e ineficiente. Um método industrial comum, a lavagem com aminas aquosas, requer 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 a implementação em larga escala.
Materiais sólidos de carbono têm se destacado como uma opção mais viável. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área de superfície, permitindo a captura do CO2. Eles também são capazes de liberar o gás utilizando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, existe uma limitação importante. Os métodos tradicionais de fabricação distribuem esses grupos de nitrogênio aleatoriamente pelo material, dificultando a identificação de quais arranjos específicos resultam em um melhor desempenho.
Para superar 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 foram projetados com grupos de nitrogênio posicionados de forma controlada e adjacente. O estudo, publicado na revista Carbon, foi co-autorizado por Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Construindo Viciazitas Com Agrupamento Controlado de Nitrogênio
Os pesquisadores criaram três versões diferentes de viciazitas, cada uma com um tipo distinto de configuração de nitrogênio vizinho. Para produzir grupos de amina primária adjacentes (-NH2), eles primeiro aqueceram um composto chamado coroneno, em seguida, trataram-no 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 desejadas.
Dois materiais adicionais foram produzidos utilizando diferentes compostos iniciais. Um deles apresentava nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, enquanto o outro continha nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.
Verificação da Estrutura e Testando o Desempenho
Cada material foi aplicado a fibras de carbono ativadas para criar amostras utilizáveis. A equipe confirmou o posicionamento preciso 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.
Quando testados, os materiais mostraram diferenças claras de desempenho. As amostras com grupos -NH2 adjacentes e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que as fibras de carbono não tratadas. Em contrapartida, a configuração de nitrogênio piridínico não apresentou grandes melhorias.
Liberação de CO2 em Baixas Temperaturas 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, nos materiais de carbono onde os grupos NH2 são introduzidos de forma adjacente, a maior parte do CO2 adsorvido se desorve a temperaturas abaixo de 60 °C. Ao combinar essa propriedade com o calor residual industrial, pode ser possível alcançar processos de captura de CO2 eficientes com custos operacionais substancialmente reduzidos,” destaca Dr. Yamada.
O material contendo nitrogênio pirrólico exigia temperaturas mais altas para liberar CO2, mas pode oferecer melhor estabilidade a longo prazo devido à sua estrutura química mais robusta.
Uma Nova Direção Rumo à Captura de Carbono Custo-Efetiva
Este trabalho demonstra que o arranjo dos grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos pode ser realizado de forma confiável, proporcionando uma estratégia clara para o design 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 o desenvolvimento de tecnologias avançadas e custo-efetivas de captura de CO2 da próxima geração,” conclui Dr. Yamada.
Além de capturar CO2, esses materiais de viciazita também poderiam ser utilizados em outras aplicações, como remoção de íons metálicos ou como catalisadores, graças às suas propriedades de superfície personalizáveis.
Financiamento e Apoio
Este trabalho recebeu apoio da Mukai Science and Technology Foundation, da Japan Society for the Promotion of Science (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251) e da “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.
