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Redução simultânea de CO2 e oxidação de CH4 para combustíveis em células de fluxo utilizando MOx como catalisadores

Processo: 22/16560-4
Modalidade de apoio:Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado Direto
Vigência (Início): 01 de abril de 2023
Vigência (Término): 31 de março de 2024
Área do conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Química - Físico-química
Pesquisador responsável:Cauê Ribeiro de Oliveira
Beneficiário:Eduardo Henrique Dias
Supervisor: Cao Thang Dinh
Instituição Sede: Instituto de Química de São Carlos (IQSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
Local de pesquisa: Queen's University, Canadá  
Vinculado à bolsa:19/10689-2 - Preparação de sistemas de reação para a oxidação seletiva fotocatalítica do metano para metanol, BP.DD
Assunto(s):Redução de CO2   Eletroquímica   Oxidação química   Metano
Palavra(s)-Chave do Pesquisador:Eletrocatalisador | Oxidação de metano | Redução de CO2 | Eletroquímica

Resumo

Devido ao alto consumo de combustíveis fósseis, muitas tecnologias foram desenvolvidas para melhorar a transformação de gases como CO2 e CH4, tentando reduzir o efeito estufa causado por eles e, ao mesmo tempo, aproveitar os produtos formados. Os sistemas eletroquímicos possuem um enorme potencial para transformar CO2 e CH4 em diversos produtos químicos, devido aos diferentes tipos de células eletroquímicas que podem ser desenvolvidas. Além disso, é um sistema versátil que pode ser aplicado em diversas condições de temperatura e pressão. Esses sistemas são avaliados por métricas como densidade de corrente, eficiência Faradaica e energética, conversão e estabilidade do sistema. Para atingir valores mais elevados para cada parâmetro, é fundamental a utilização de catalisadores adequados e sistemas bem definidos. Vários catalisadores têm sido estudados, sendo o Cobre e seus óxidos um dos melhores catalisadores para redução de CO2. Outros catalisadores como MnO2, NiO e Co3O4 têm mostrado resultados promissores para a oxidação do CH4, mas em condições de altas temperaturas e pressão. A redução de CO2 e a oxidação de CH4 em solução aquosa apresentam barreiras semelhantes a serem superadas. Ambos os gases são pouco solúveis em água. O CO2, por exemplo, tem uma solubilidade de 30 mM em água (a 1 bar e 25 °C), limitando a taxa de conversão. Outro ponto é a alta energia necessária para ativar essas moléculas. Na molécula de CO2, o átomo de carbono está fortemente ligado aos átomos de oxigênio por ligações duplas (energia de ligação 806 kJ.mol-1). Em comparação, o CH4 apresenta quatro ligações C-H com energia de dissociação de 439,4 kJ.mol1, geometria tetraédrica perfeita e baixa polarizabilidade. Em decorrência desses fatos, é necessário encontrar um catalisador que apresente boas interações com os gases, diminua a energia de ativação ou produza espécies ativas que irão reduzir/oxidar o CO2/CH4. Nesse contexto, as conquistas anteriores do processo FAPESP nº 2019/10689-2 usando células H indicaram que o cátodo C/CuO é eficiente para a redução de CO2, enquanto o ânodo C/MnO2 pode controlar CH4 para metanol. Portanto, neste projeto, propomos reunir em um único dispositivo a redução de CO2 e a oxidação controlada de CH4, simultaneamente, sob a orientação do Prof. Dr. Cao Thang Dihn, e utilizando os materiais previamente desenvolvidos. Sua supervisão é essencial para o sucesso desta proposta, dado seu conhecimento de dispositivos de redução contínua de CO2 com alta densidade de corrente. Esses resultados dependem de uma compreensão mais profunda da engenharia de células eletroquímicas e avaliação de processos. O acoplamento de ambos os processos pode potencialmente reduzir a energia líquida para redução de CO2 (devido ao menor potencial de oxidação do CH4), proporcionando uma alternativa de aproveitamento do CH4 na indústria química, evitando sua queima. Assim, a execução desta proposta BEPE estará fortemente ligada ao processo FAPESP mencionado acima, fornecendo recursos para o desenvolvimento de sistemas eletroquímicos eficazes. Os catalisadores serão sintetizados por métodos solvotérmicos e aplicados em um sistema eletroquímico em fluxo sob diferentes potenciais e vazões para otimização do setup. Técnicas avançadas de caracterização como XRD, fisissorção de N2, SEM-FEG e TEM serão empregadas para subsidiar os estudos dos catalisadores. Técnicas como XPS e FTIR serão realizadas para entender as reações cinéticas dos produtos. (AU)

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