O novo método converte o gás metano em metanol líquido.
Uma equipe de pesquisadores converteu com sucesso metano em metanol usando metais de transição leves e dispersos, como o cobre, em um processo conhecido como foto-oxidação. A reação foi a melhor alcançada até hoje para converter o gás metano em combustível líquido à temperatura e pressão ambiente (25°C e 1 bar, respectivamente), de acordo com um estudo publicado na revista Chemical Communications.
O termo bar como unidade de pressão vem da palavra grega que significa peso (baros). Um bar equivale a 100,000 Pascals (100 kPa), próximo à pressão atmosférica padrão ao nível do mar (101,325 Pa).
As descobertas do estudo são um passo crucial para tornar o gás natural acessível como fonte de energia para a produção de combustíveis alternativos à gasolina e ao diesel. Apesar do gás natural ser um combustível fóssil, sua conversão em metanol produz menos dióxido de carbono (CO2) do que outros combustíveis líquidos da mesma categoria.
A conversão ocorreu em condições de temperatura e pressão ambiente, o que poderia permitir que o metano, um potente gás de efeito estufa, fosse usado para produzir combustível. Crédito: UFSCAR
O metanol é vital na produção de biodiesel e na indústria química no Brasil, onde é utilizado para sintetizar uma variedade de produtos.
Além disso, a coleta de metano da atmosfera é fundamental para mitigar as consequências negativas das mudanças climáticas, já que o gás tem 25 vezes o potencial de contribuir para o aquecimento global do que o CO2, por exemplo.
“Há um grande debate na comunidade científica sobre o tamanho das reservas de metano do planeta. De acordo com algumas estimativas, eles podem ter o dobro do potencial energético de todos os outros combustíveis fósseis combinados. Na transição para as renováveis, em algum momento teremos que aproveitar todo esse metano”, disse Marcos da Silva, primeiro autor do artigo, à Agência FAPESP. Silva é Ph.D. Doutoranda do Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).
O estudo foi apoiado pela FAPESP, Conselho Superior de Pesquisa (CAPES, órgão do Ministério da Educação) e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq, braço do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação).
Segundo Ivo Freitas Teixeira, professor da UFSCar, orientador da tese de Silva e último autor do artigo, o fotocatalisador utilizado no estudo foi uma inovação fundamental. “Nosso grupo inovou significativamente ao oxidar o metano em um único estágio”, disse ele. “Na indústria química, essa conversão ocorre por meio da produção de hidrogênio e CO2 em pelo menos duas etapas e sob condições de temperatura e pressão muito altas. Nosso sucesso na obtenção de metanol em condições amenas, ao mesmo tempo em que gastamos menos energia, é um grande passo à frente”.
Segundo Teixeira, os resultados abrem caminho para futuras pesquisas sobre o uso da energia solar para esse processo de conversão, potencialmente reduzindo ainda mais seu impacto ambiental.
Fotocatalisadores
Em laboratório, os cientistas sintetizaram nitreto de carbono cristalino na forma de poliheptazina imida (PHI), usando metais de transição não nobres ou abundantes em terra, especialmente cobre, para produzir fotocatalisadores ativos de luz visível.
Eles então usaram os fotocatalisadores em reações de oxidação de metano com peróxido de hidrogênio como iniciador. O catalisador cobre-PHI gerou um grande volume de produtos líquidos oxigenados, especialmente metanol (2,900 micromoles por grama de material, ou µmol.g-1 em quatro horas).
“Descobrimos o melhor catalisador e outras condições essenciais para a reação química, como usar uma grande quantidade de água e apenas uma pequena quantidade de peróxido de hidrogênio, que é um agente oxidante”, disse Teixeira. “Os próximos passos incluem entender mais sobre os sítios ativos de cobre no material e seu papel na reação. Também planejamos usar oxigênio diretamente para produzir peróxido de hidrogênio na própria reação. Se for bem-sucedido, isso deve tornar o processo ainda mais seguro e economicamente viável.”
Outro ponto que o grupo continuará investigando diz respeito ao cobre. “Trabalhamos com cobre disperso. Quando escrevemos o artigo, não sabíamos se estávamos lidando com átomos isolados ou aglomerados. Agora sabemos que são aglomerados”, explicou.
No estudo, os cientistas usaram metano puro, mas, no futuro, vão extrair o gás de fontes renováveis, como a biomassa.
De acordo com as Nações Unidas, o metano causou até agora cerca de 30% do aquecimento global desde a era pré-industrial. As emissões de metano da atividade humana podem ser reduzidas em até 45% na próxima década, evitando um aumento de quase 0.3°C até 2045.
A estratégia de converter metano em combustível líquido usando um fotocatalisador é nova e não está disponível comercialmente, mas seu potencial no curto prazo é significativo. “Iniciamos nossa pesquisa há mais de quatro anos. Agora temos resultados muito melhores do que os do professor Hutchings e seu grupo em 2017, o que motivou nossa própria pesquisa”, disse Teixeira, referindo-se a um estudo publicado na revista Ciência por pesquisadores afiliados a universidades dos Estados Unidos e do Reino Unido, e liderados por Graham Hutchings, professor da Universidade de Cardiff no País de Gales.
Referências:
“Fotooxidação seletiva do metano em metanol sob condições brandas promovida por átomos de Cu altamente dispersos em nitretos de carbono cristalinos” por Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro e Ivo F. Teixeira, 31 de maio de 2022, Chemical Communications.
DOI: 10.1039/D2CC01757A
“Colóides Au-Pd aquosos catalisam CH seletivo4 oxidação a CH3OH com O2 sob condições brandas” por Nishtha Agarwal, Simon J. Freakley, Rebecca U. McVicker, Sultan M. Althahban, Nikolaos Dimitratos, Qian He, David J. Morgan, Robert L. Jenkins, David J. Willock, Stuart H. Taylor, Christopher J. Kiely e Graham J. Hutchings, 7 de setembro de 2017, Ciência.
DOI: 10.1126/science.aan6515
