Impedir que o dióxido de carbono (CO2) 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, não foi amplamente adotada devido ao alto custo e à ineficiência da maioria dos sistemas. Uma abordagem industrial comum, a desidratação com aminas aquosas, exige o aquecimento de grandes quantidades de líquido a temperaturas superiores a 100 °C para liberar o CO2 capturado e reutilizar a solução. Essa alta demanda de energia eleva os custos operacionais e dificulta o uso em grande escala.
Materiais de carbono sólido têm ganhado atenção como uma opção mais prática. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área de superfície que permite a captura do CO2. Eles também podem liberar o gás com menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais baseados em nitrogênio. No entanto, há uma limitação importante. Métodos de fabricação tradicionais distribuem esses grupos de nitrogênio de forma aleatória pelo material, tornando difícil identificar quais arranjos específicos levam a um melhor desempenho.
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, Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado ‘viciazites.’ Esses materiais são projetados com grupos de nitrogênio posicionados próximos uns dos outros de forma controlada. O estudo, publicado na revista Carbon, foi coautorado 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 com bromo e, em seguida, com gás amônia. Esse método em três etapas alcançou 76% de seletividade, significando que a maioria dos átomos de nitrogênio foi colocada nas posições pretendidas.
Dois materiais adicionais foram produzidos usando compostos de partida diferentes. Um apresentava nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, enquanto o outro continha nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.
Verificando Estruturas e Testando Desempenho
Cada material foi aplicado a fibras de carbono ativado para criar amostras utilizáveis. A equipe confirmou a colocação precisa dos grupos de nitrogênio utilizando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de fotoelétrons de raios X e modelagem computacional. Esses métodos verificaram que os átomos de nitrogênio estavam posicionados lado a lado, em vez de distribuídos aleatoriamente.
Quando testados, os materiais mostraram diferenças claras de desempenho. Amostras com grupos -NH2 adjacentes e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO2 do que as fibras de carbono não tratadas. Em contraste, a configuração de nitrogênio piridínico ofereceu pouca melhoria.
Liberação de CO2 em Baixas Temperaturas Pode Reduzir Uso de Energia
O achado mais notável envolveu a facilidade com que os materiais liberaram o CO2. “A avaliação de desempenho revelou que, nos materiais de carbono onde os grupos NH2 são introduzidos adjacente, a maior parte do CO2 adsorvido desorbe 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 elevadas para liberar CO2, mas pode oferecer uma melhor estabilidade a longo prazo devido à sua estrutura química mais forte.
Um Novo Caminho em Direção à Captura de Carbono de Custo Eficaz
Este trabalho demonstra que é possível dispor grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos de forma confiável, fornecendo uma estratégia clara para projetar materiais de captura de carbono aprimorados. “Nossa motivação é contribuir com 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 com nitrogênio, oferecendo o controle em nível molecular essencial para desenvolver tecnologias de captura de CO2 de próxima geração, eficazes e de baixo custo,” conclui o Dr. Yamada.
Além de capturar CO2, esses materiais viciazite também podem ser utilizados para outras aplicações, incluindo a remoção de íons metálicos ou atuando 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 número de concessão JPMXP1225JI0008.
