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 é ampla, pois a maioria dos sistemas é cara e ineficiente. Uma abordagem industrial comum, a lavagem com aminas aquosas, exige o aquecimento de grandes quantidades de líquido a temperaturas acima de 100 °C para liberar o CO2 capturado e reutilizar a solução. Essa alta demanda de energia aumenta os custos operacionais e torna difícil a utilização em larga escala.
Materiais de carbono sólido ganharam atenção como uma opção mais prática. Esses materiais são relativamente baratos e têm uma grande área de superfície que permite capturar CO2. Eles também podem liberar o gás usando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, há uma limitação fundamental. Os métodos tradicionais de fabricação distribuem esses grupos de nitrogênio aleatoriamente pelo material, dificultando a identificação de quais arranjos específicos levam a um desempenho melhor.
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 ‘viciazites’. Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio posicionados um ao lado do outro de forma controlada. O estudo, publicado na revista Carbon, foi co-autorado pelo Sr. Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.
Construindo Viciazites Com Emparelhamento Controlado de Nitrogênio
Os pesquisadores criaram três versões diferentes de viciazites, cada uma com um tipo único de configuração de nitrogênio vizinho. Para produzir grupos de amina primária adjacentes (-NH2), eles primeiro aqueceram um composto chamado coroneno, depois trataram-no com bromo e, por fim, com gás amônia. Esse método em três etapas alcançou uma seletividade de 76%, o que significa que a maioria dos átomos de nitrogênio foi posicionada nas posições pretendidas.
Outros dois materiais 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 a 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 usando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia fotoeletrônica 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 mostraram diferenças de desempenho claras. Amostras com grupos adjacentes -NH2 e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que as fibras de carbono não tratadas. Em contrapartida, a configuração de nitrogênio piridínico não ofereceu grandes melhorias.
Liberação de CO2 a 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, em materiais de carbono onde os grupos NH2 são introduzidos adjacentes, a maior parte do CO2 adsorvido é desorvido 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 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 Rumo à Captura de Carbono Econômica
Este trabalho demonstra que organizar grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos pode ser feito de forma confiável, fornecendo uma estratégia clara para projetar 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 por nitrogênio personalizados, oferecendo o controle em nível molecular essencial para o desenvolvimento de tecnologias avançadas e econômicas de captura de CO2 para a próxima geração”, conclui o Dr. Yamada.
Além de capturar CO2, esses materiais viciazite também podem ser usados em outras aplicações, incluindo a remoção de íons metálicos ou 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.
