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Se a idéia de voar em jatos comerciais movidos a bateria o deixa nervoso, relaxe um pouco. Os pesquisadores descobriram um ponto de partida prático para a conversão de dióxido de carbono em combustíveis líquidos sustentáveis, incluindo combustíveis para modos de transporte mais pesados, que podem ser muito difíceis de eletrificar, como aviões, navios e trens de carga.
A reutilização neutra em carbono de CO 2 surgiu como uma alternativa para enterrar o gás de efeito estufa no subsolo. Em um novo estudo publicado hoje na Nature Energy , pesquisadores da Universidade de Stanford e da Universidade Técnica da Dinamarca (DTU) mostram como a eletricidade e um catalisador abundante na Terra podem converter CO 2 em monóxido de carbono (CO) rico em energia melhor que os métodos convencionais. O catalisador – óxido de cério – é muito mais resistente à quebra. Retirar o oxigênio do CO 2 para produzir gás CO é o primeiro passo para transformar o CO 2em quase qualquer combustível líquido e outros produtos, como gás sintético e plástico. A adição de hidrogênio ao CO pode produzir combustíveis como diesel sintético e o equivalente a combustível de aviação. A equipe prevê o uso de energia renovável para produzir o CO e as conversões subsequentes, o que resultaria em produtos neutros em carbono.
“Mostramos que podemos usar a eletricidade para reduzir o CO 2 em CO com 100% de seletividade e sem produzir o subproduto indesejado do carbono sólido”, disse William Chueh, professor associado de ciência e engenharia de materiais em Stanford, um dos três principais autores da papel.
Chueh, ciente das pesquisas da DTU nessa área, convidou Christopher Graves, professor associado do Departamento de Conversão e Armazenamento de Energia da DTU, e Theis Skafte, um candidato a doutorado da DTU na época, a vir para Stanford e trabalhar juntos na tecnologia.
“Nós tínhamos vindo a trabalhar em alta temperatura CO 2 eletrólise durante anos, mas a colaboração com Stanford foi a chave para esta descoberta”, disse Skafte, principal autor do estudo, que agora é um pesquisador pós-doutorado na DTU. “Conseguimos algo que não poderíamos ter separadamente – compreensão fundamental e demonstração prática de um material mais robusto”.

Barreiras à conversão

Uma vantagem que os combustíveis líquidos sustentáveis ​​poderiam ter sobre a eletrificação do transporte é que eles poderiam usar a infraestrutura existente de gasolina e diesel, como motores, tubulações e postos de gasolina. Além disso, as barreiras para a eletrificação de aviões e navios – viagens de longa distância e o alto peso das baterias – não seriam problemas para combustíveis densos em energia e neutros em carbono.
Embora as plantas reduzam CO 2 a açúcares ricos em carbono naturalmente, uma rota eletroquímica artificial para CO ainda não foi amplamente comercializada. Entre os problemas: os dispositivos usam muita eletricidade, convertem uma baixa porcentagem de moléculas de CO 2 ou produzem carbono puro que destrói o dispositivo. Os pesquisadores do novo estudo examinaram primeiro como diferentes dispositivos tiveram sucesso e falharam na eletrólise de CO 2 .
Com as idéias obtidas, os pesquisadores construíram duas células para testes de conversão de CO 2 : uma com óxido de cério e outra com catalisadores convencionais à base de níquel. O eletrodo de céria permaneceu estável, enquanto os depósitos de carbono danificaram o eletrodo de níquel, reduzindo significativamente a vida útil do catalisador.
“Essa capacidade notável da céria tem implicações importantes para a vida útil dos dispositivos de eletrolisadores de CO 2 “, disse Graves, da DTU, autor sênior do estudo e pesquisador visitante em Stanford na época. “Substituir o eletrodo de níquel atual pelo novo eletrodo de céria na próxima geração de eletrolisadores melhoraria a vida útil do dispositivo”.

Caminho para a comercialização

Eliminar a morte celular precoce pode reduzir significativamente o custo da produção comercial de CO. A supressão do acúmulo de carbono também permite que o novo tipo de dispositivo converta mais CO 2 em CO, o que é limitado a bem abaixo de 50% da concentração do produto CO nas células atuais. Isso também pode reduzir os custos de produção.
“O mecanismo de supressão de carbono na céria é baseado na captura do carbono na forma oxidada estável. Conseguimos explicar esse comportamento com modelos computacionais de redução de CO 2 a temperatura elevada, o que foi confirmado com espectroscopia de fotoelétrons de raios X da célula em operação “, disse Michal Bajdich, autor sênior do artigo e cientista associado do SUNCAT Center for Interface Science & Catalysis, uma parceria entre o SLAC National Accelerator Laboratory e a Stanford’s School of Engineering.
O alto custo da captura de CO 2 tem sido uma barreira para sequestrá-lo no subsolo em larga escala, e esse alto custo pode ser uma barreira ao uso de CO 2 para produzir combustíveis e produtos químicos mais sustentáveis. No entanto, o valor de mercado desses produtos combinado com pagamentos para evitar as emissões de carbono pode ajudar as tecnologias que usam CO 2 a superar o obstáculo mais rapidamente.
Os pesquisadores esperam que seu trabalho inicial de revelar os mecanismos nos dispositivos de eletrólise de CO 2 por espectroscopia e modelagem ajude outras pessoas a ajustar as propriedades da superfície de céria e outros óxidos para melhorar ainda mais a eletrólise de CO 2 .
Chueh também é membro sênior do Precourt Institute for Energy de Stanford. Outros co-autores de Stanford são o ex-aluno de doutorado Zixuan Guan, o pós-doc Michael Machala, os ex-pós-docs Matteo Monti e Chirranjeevi B. Gopal e o pós-doc do SLAC, Jose A. Garrido Torres. Outros co-autores da DTU são o candidato a PhD Lev Martinez, o líder do grupo nanolab Eugen Stamate e a pesquisadora Simone Sanna. Os outros co-autores são Ethan J. Crumlin, cientista do Lawrence Berkeley National Laboratory, e Max Garcia Melchor, professor assistente do Trinity College, Dublin.
Este projeto foi apoiado pela Haldor Topsoe A / S, Innovation Fund Denmark, Agência Dinamarquesa de Ciência, Tecnologia e Inovação e Energinet.dk., Departamento de Energia dos EUA, Centro SUNCAT e um prêmio da National Science Foundation CAREER.