Estudo pioneiro identificou concentração ideal para a aplicação em eletrocatálise

Na divisão de Metano a Produtos (M2P) do CINE, um conjunto de pesquisadores têm buscado produzir conhecimento e avanços tecnológicos relacionados a um uso não convencional das células a combustível: como reatores para transformação do metano (CH₄) em produtos de maior valor agregado – combustíveis, como o metanol (CH₃OH), e insumos químicos, como formiatos –, com a possibilidade de cogeração de energia elétrica. Os desafios envolvem a melhor compreensão das reações químicas que ocorrem durante a operação das células e o desenvolvimento de catalisadores, até chegar às etapas de desenvolvimento tecnológico.

Em edições anteriores da Newsletter do CINE, pudemos conhecer trabalhos voltados a esses estudos básicos das reações envolvidas e, também, à análise de catalisadores a base de paládio suportados em carbono, com adição de níquel. Um novo artigo, publicado em julho deste ano no periódico ACS Omega, reporta resultados relativos à utilização de materiais inovadores nas células a combustível desenvolvidas pelo grupo: os chamados COFs, do Inglês covalent organic frameworks.

COFs e MOFs – de metal organic frameworks – compõem uma nova classe de materiais híbridos (porosos e cristalinos) que vêm recebendo atenção crescente devido a aplicações potenciais em diversas áreas. No entanto, na área de eletrocatálise para conversão de metano, o trabalho do CINE é o primeiro de que os pesquisadores da M2P têm notícia. Uma das vantagens da utilização de COFs e MOFs é a possibilidade de substituição dos metais nobres mais comumente usados como catalisadores. Além disso, há redução da quantidade de metal utilizado, já que os materiais são compostos por uma base polimérica (ligante) complexada com o metal, o que leva ao uso de uma quantidade de metal cerca de cem vezes menor que aquela empregada em outros eletrodos estudados pelo grupo da M2P. Além disso, COFs e MOFs também apresentam propriedades que podem facilitar a catálise.

A pesquisa agora publicada tem um passo inicial no estágio no Canadá realizado pelo doutorando Luis M. S. Garcia, primeiro autor do artigo. Lá, junto ao grupo coordenado por Adam Duong na Université du Québec a Trois-Riviers, Garcia aprendeu a sintetizar COFs. De volta ao Brasil, o doutorando e o pesquisador de pós-doutorado Rodrigo F. B. de Souza, orientados por  Almir Oliveira Neto e junto a outros pesquisadores do IPEN, aplicaram o material nos reatores usados pelo grupo e empreenderam análises voltadas à identificação da melhor composição para maior eficácia na conversão de metano em metanol. No caso, o material utilizado é composto por um ligante formado por nitrogênio (N) e piridinas (bases de nitrogênio), complexado com cobre, metal já usado e com propriedades conhecidas na conversão de metano. No eletrodo, foi feita a associação a uma base de carbono, como nos demais materiais empregados na M2P.

As análises realizadas mostraram que o complexo de cobre, quando adicionado na proporção adequada ao carbono, aprimorou o processo de ativação da molécula de água e consequente produção de espécies oxigenadas (radicais hidroxila), fundamental à reação de conversão de metano em metanol. No entanto, acima e abaixo da concentração ideal, o resultado foi prejudicial à reação.

Além de Garcia, Duong e Oliveira Neto, assinam o artigo outros pesquisadores do IPEN – técnicos e dois pesquisadores de pós-doutorado também vinculados ao CINE – e da universidade canadense, bem como dois outros parceiros, um mestrando e um docente da Universidade Federal do Amazonas (UFAM).