Estudo comparativo do mecanismo de hidrogenação de co e CO2 sobre materiais a base de cobre via catálise heterogênea e eletrocatálise

Resumo

Dióxido de carbono é largamente produzido a partir da combustão de combustíveis, principalmente os de origem fóssil, e de atividades industriais. Embora durante a fotossíntese as plantas absorvam parte do CO2 emitido, este gás tem se acumulado na atmosfera. O aumento nos níveis de CO2 tem sido associado a efeitos climáticos indesejáveis, como o aquecimento global, o aumento dos níveis do mar e padrões climáticos irregulares. Uma estratégia promissora para reduzir as emissões de CO2 e, assim, coibir o aumento dos níveis atmosféricos de CO2 compreende o desenvolvimento de rotas alternativas para a fabricação de produtos químicos à base de carbono, de grande demanda no mercado, como combustíveis, por exemplo, nos quais o CO2 pode ser usado como matéria-prima. A hidrogenação de CO2 por catálise heterogênea ou eletrocatálise pode gerar uma ampla variedade de produtos, como metanol, metano, hidrocarbonetos, etanol, álcoois superiores, etc. Entre esses produtos, o etanol e os álcoois superiores são particularmente interessantes como combustíveis e aditivos de combustível. No entanto, tecnologias eficientes para a síntese de etanol ou outro produto C2+OH a partir da hidrogenação de CO2 por catálise heterogênea ou eletrocatálise ainda não estão disponíveis. Aspectos técnicos e comerciais da produção de C2+OH a partir de CO2 são pouco investigados e, em geral, os catalisadores empregados em estudos que compreendem a hidrogenação de CO2 apresentam baixa conversão, baixa seletividade, baixa estabilidade e/ou altos custos. Portanto, é necessário o desenvolvimento de catalisadores mais eficientes, preferencialmente baseados em elementos não nobres. O design racional de materiais eficientes depende do progresso do entendimento de como as propriedades dos catalisadores e outras condições experimentais afetam a cinética e o mecanismo dessa reação. Eletroquimicamente, o Cu é o único catalisador conhecido por converter CO2 em hidrocarbonetos e/ou oxigenados com eficiência faradaica consideravelmente alta, mas também produz outros produtos como CO, HCOO e H2 com eficiência faradaica razoavelmente alta. Esforços intensivos em pesquisa experimental e teórica tem se concentrado em melhorar o sobrepotencial e a seletividade de catalisadores de Cu para a eletro-redução de CO2 a produtos químicos C2. No entanto, as eficiências faradaicas correspondentes são tipicamente abaixo de 40%. Em estudos prévios, o CO foi considerado um intermediário chave na geração de metano sobre cobre e, recentemente, foi mostrado que o acoplamento C-C para formação de espécies C2 sobre cobre ocorre através de uma etapa que envolve a dimerização do CO nos primeiros estágios do mecanismo de reação. Portanto, eletrocatalisadores adequados para a redução de CO2 a espécies C2 devem, em princípio, promover eficientemente a formação de CO e sua dimerização. Por outro lado, o mecanismo da reação correspondente à síntese de C2+OH a partir da hidrogenação do CO2 por catálise heterogênea não foi completamente elucidado e ainda está em debate. Alguns autores propuseram que o CO é um importante intermediário da hidrogenação de CO2 para a formação de etanol. Portanto, materiais capazes de gerar COads podem favorecer a formação de C2+OH. No presente projeto, propomos investigar a hidrogenação de CO e CO2 em materiais baseados em Cu via catálise heterogênea e eletrocatálise com o objetivo de elucidar o mecanismo dessas reações e o papel do CO na formação de C2+OH em diferentes ambientes químicos (fase gasosa vs. fase líquida). Os resultados obtidos no Brasil serão complementados pelos da parte fundamental dos estudos eletrocatalíticos a serem realizados pela equipe científica holandesa deste projeto conjunto Brasil-Holanda. (AU)