Fazendo etileno a partir do ar e elétrons

Na esperança de desacelerar as mudanças climáticas, os pesquisadores estão buscando maneiras de se livrar do dióxido de carbono que aquece o planeta. Produzir algo valioso no processo, como produtos químicos comerciais, é um bônus. Pesquisadores da Universidade de Toronto e do Instituto de Tecnologia da Califórnia agora relatam que realizaram esse truque, melhorando a eficiência de um processo para tornar o etileno precursor do plástico a partir do CO₂ eletroquimicamente (Nature 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1782-2).

Existe um mercado enorme para o etileno, diz Edward Sargent, engenheiro elétrico da Universidade de Toronto. Mas o composto também tem uma grande pegada de CO₂, porque sua fabricação é baseada em combustíveis fósseis. “Portanto, se pudéssemos fabricar etileno renovável”, diz Sargent, “poderíamos substituir parte do uso de etileno derivado de combustível fóssil e poderíamos consumir em vez de emitir CO₂ enquanto o fazemos.”

Para este trabalho, Sargent e colegas de trabalho se uniram a Jonas Peters e Theodor Agapie na Caltech. Eles melhoraram seu sistema eletroquímico adicionando um novo revestimento à superfície do catalisador de cobre. O revestimento ajuda os compostos de carbono a aderirem à sua superfície, incentivando assim as reações de acoplamento que produzem etileno. Para incentivar esse emparelhamento, eles precisavam de uma molécula pareadora. Os pesquisadores dimerizaram uma série de arilpiridinios na superfície do Cu, permitindo que os átomos de C chegassem perto o suficiente para emparelhar e depois passassem por uma redução eletroquímica para formar etileno.

A reação de várias etapas resultante envolve muitas transferências de elétrons, diz Sargent. A equipe envia CO₂ e eletrólito para o sistema. O CO₂ adsorve no catalisador Cu, cujos elétrons o reduzem ao monóxido de carbono, que então se liga à superfície. As moléculas de arilpiridínio dimerizado direcionam o CO para a posição correta, configurando-o para o acoplamento C-C. Após a adição de hidrogênios da água, o sistema cospe etileno.

O sistema é eficiente em comparação com tentativas anteriores, convertendo 72% da entrada de energia em produto de etileno. A equipe também executou a síntese eletroquímica com uma corrente alta o suficiente para atrair a indústria. A chave, diz Sargent, foi encontrar o composto de arilpiridínio certo para maximizar a produção de etileno. “Examinamos uma biblioteca bastante ampla de moléculas”, diz ele, e os pesquisadores descobriram que, prestando muita atenção em como as diferentes moléculas de revestimento mantinham a carga, elas poderiam aumentar a quantidade de etileno produzida.

Idealmente, diz Sargent, a reação seria alimentada por eletricidade renovável e o CO₂ viria de uma combustão industrial. “Em vez de apenas entrar na atmosfera, o CO₂ se tornaria uma matéria-prima química para a síntese de algo mais valioso”, diz ele.

Feng Jiao, engenheiro químico da Universidade de Delaware, diz que o trabalho mostra como a seletividade da reação pode ser ajustada ao funcionalizar uma superfície de catalisador de Cu. Ele vê espaço para melhorias na eficiência do sistema, mas diz que é encorajador ver essa reação sendo realizada em soluções neutras - uma melhoria em relação a uma versão anterior do sistema que funcionava em condições alcalinas severas (Science 2018, DOI: 10.1126/science.aas9100).