2DMAT4FUEL: Materiais Bidimensionais: a separação e conversão de CO2 em combustíveis renováveis

Enquadramento

As alterações climáticas devem-se principalmente às emissões de CO2 provenientes da queima dos combustíveis fósseis. Portugal, através da Estratégia Nacional para a Energia com o horizonte de 2020 (ENE2020), têm como objetivo reduzir a dependência energética do país face ao exterior e contribuir para um uso mais eficiente em fontes renováveis. A luz solar é a mais abundante e uma das mais limpas fontes de energia do planeta. Portugal é um dos países da Europa com maior disponibilidade de radiação solar devido à sua localização geográfica com um número médio anual de horas de Sol entre 2200 e 3000h.

A conversão de CO2 para produzir combustíveis renováveis usando uma fonte de energia solar tem o potencial de diminuir o consumo das limitadas reservas de combustíveis fósseis, contribuindo na redução do impacto humano sobre o aquecimento global. As baixas atividades e/ou seletividades dos catalisadores junto com um elevado custo na captura e separação do CO2 dos processos industriais, estão a levar a investigação para novos sistemas competitivos de captura de CO2 in loco, ou aproveitando o CO2 dissolvido em correntes aquosas.

O Projeto

Falamos com os Investigadores do LSRE-LCM (Laboratory of Separation and Reaction Engineering - Laboratory of Catalysis and Materials), Joaquim Luís Faria e Eliana Sousa da Silva, sobre o projeto 2DMAT4FUEL, cofinanciado pelo COMPETE 2020.

Adotando técnicas inovadoras de catálise medioambiental e tecnologias de membrana, o projeto 2DMAT4FUEL tem como objetivo o desenvolvimento de materiais para uma nova geração de membranas fotocatalíticas derivadas de compósitos bidimensionais com elevada estabilidade e durabilidade para a separação de CO2 e produção de compostos químicos facilmente transportáveis por redução do CO2 na presença de água usando a radiação solar.

“A separação seletiva dos materiais de redução de CO2 revelou-se, no entanto, mais complexa do que o esperado e por isso foi necessário reavaliar o desenvolvimento de membranas dedicadas. Aliás, tendo em conta a necessidade descarbonização global dos processos químicos é necessário considerar todas as fases de implementação e desenvolvimento, bem como a integração das soluções finais. Por outro lado, um aspeto importante, não considerado inicialmente neste projeto, tem a ver com a autossustentabilidade das soluções propostas. Neste sentido, a corrente aquosa contendo o CO2 dissolvido, é também um transportador de hidrogénio –um potencial combustível solar–, caso se considere a cisão da água para a sua produção. Surpreendentemente, os materiais bidimensionais desenvolvidos demonstraram um rendimento excecional nesta reação. Podemos assim, encarar uma solução integrada em que para além da conversão fotocatalítica de CO2, existe a possibilidade de extensão do processo fora das horas de luz, integrando como fonte energética o H2 de produção fotocatalítica, simultaneamente com redução de CO2.”

A catálise com materiais funcionais avançados é precisamente a principal área de investigação do Laboratório de Catálise e Materiais (LSRE-LCM Laboratório Associado) da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, onde existe já uma experiência considerável no que respeita à síntese, modificação e caracterização de materiais à base de carbono, com propriedades texturais e de superfície ajustadas à medida das necessidades.

A enorme experiência existente nesta área será usada de forma a melhorar a atividade catalítica de vários materiais bidimensionais quando expostos à luz solar. Além disso, tanto quanto se sabe, ainda não existem estudos sobre a preparação de membranas fotocataliticas com materiais bidimensionais para a separação e conversão fotocatalítica de CO2 em combustíveis renováveis.

“A escolha adequada de catalisadores é assim fundamental para se obter bons resultados. Os materiais bidimensionais utilizados neste projeto apresentam como vantagem serem na maioria isentos de metais pesados (alguns em risco de escassez e na maioria dispendiosos), além de exibirem absorção na região do visível, por forma a tirar partido da luz solar. O objetivo inicial do projeto foi expandido à preparação de sistemas fotocatalíticos estruturados à escala nanométrica, baseados em nitreto de carbono grafítico (g-C3N4), mas usando também outros estruturas derivadas das argilas de camada dupla (LDH, do termo anglo-saxónico layer double hydrorxides, estas contendo em baixa percentagem alguns átomos de metais de transição), ou mesmo porfirinas. Com estas modificações visamos otimizar o processo de fotorredução, em ambos os vetores (CO2 e H2O) já que por comparação com os dados da literatura existente, obtivemos uma performance significativamente superior ao nível da geração fotocatalítica de H2, um combustível limpo, e neste caso de origem solar.”

O uso de materiais bidimensionais para o desenvolvimento de membranas fotocataliticas para a separação e conversão de CO2 em combustíveis renováveis é uma área de investigação absolutamente nova.

“A conjugação com a produção de H2, abre toda uma nova gama de possibilidades de investigação, que são atualmente críticas e essenciais tendo em conta as graves alterações climáticas e as exigências energéticas decorrentes do congelamento das atividades sociais, comerciais e industriais, por via da pandemia em curso. Acresce que neste caso estaremos perante um processo de produção de hidrogénio verde.”

A síntese de membranas inovadoras à base de materiais bidimensionais com elevada capacidade para separar CO2 junto com elevada atividade e seletividade na foto-redução de CO2 usando radiação visível, pode potenciar o uso de combustíveis solares e aumentar o impacto do processo de redução do CO2 à escala global.

“Por via dos condicionalismos da atividade laboratorial, que também devem reger os objetivos estratégico de investigação o desenvolvimento de protótipos membranares está a avançar a um ritmo mais lento. Contudo serão lançadas as vias de exploração que permitirão potenciar estas materiais em sistemas integrados de proteção ambiental, autossustentáveis e climaticamente amigáveis.”

O Apoio do COMPETE 2020

O projeto 2DMAT4FUEL é promovido pelo LSRE-LCM da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto e cofinanciado pelo COMPETE 2020 no âmbito do Sistema de Apoio à Investigação Científica e Tecnológica, envolvendo um investimento elegível de 235 mil euros, o que resultou num incentivo FEDER de cerca de 200 mil euros.

“O incentivo foi determinante para lançamento desta linha de investigação no LSRE-LCM. Permitiu a criação de vários recursos humanos de elevada qualidade ao nível da formação em Mestrado e Doutoramento, bem como a ampliação de competências de investigação, gestão e transmissão de conhecimentos, associadas à transferência de tecnologia por Recém-Doutorados. A colaboração interinstitucional e multidisciplinar foi também importante como atestam as várias publicações em cooperação com outros grupos nacionais e internacionais, destacando-se o Instituto Ibérico de Nanotecnologias (PT/ES) e o Institute of Materials Chemistry -TUWien (AT), entre outras colaborações. Deste ponto de vista, este resultado imaterial é inestimável. Do ponto de vista material, o incentivo financeiro permitiu a aquisição e montagem de um simulador solar de última geração, equipado para imitar virtualmente as radiâncias solares em vários pontos do globo, consoante a hora do dia. Globalmente trata-se de uma atividade fundamental com impacto na mitigação das alterações climáticas“.