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Jul 21, 2023

Estudo experimental e teórico do efeito de diferentes funcionalidades de compósitos óxido de grafeno/polímero na captura seletiva de CO2

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15992 (2022) Citar este artigo Há uma necessidade constante de tecnologias versáteis para reduzir a concentração continuamente crescente de CO2 no

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 15992 (2022) Citar este artigo

Existe uma necessidade constante de tecnologias versáteis para reduzir a concentração continuamente crescente de CO2 na atmosfera, capazes de fornecer soluções eficazes sob diferentes condições (temperatura, pressão) e composição dos gases de combustão. Neste trabalho, uma combinação de óxido de grafeno (GO) e partículas de polímero funcionalizadas à base de água foi investigada, como candidatos versáteis e promissores para aplicação de captura de CO2, com o objetivo de desenvolver uma tecnologia de captura de CO2 facilmente escalonável, barata e ecologicamente correta. Existem enormes possibilidades de diferentes monômeros funcionais que podem ser selecionados para funcionalizar as partículas do polímero e fornecer fidelidade ao CO2 às nanoestruturas compostas. A teoria do funcional da densidade (DFT) foi empregada para obter uma compreensão mais profunda das interações desses materiais compósitos complexos com moléculas de CO2 e N2 e para construir uma base para uma triagem eficiente de monômeros funcionais. A estimativa da energia de ligação entre o CO2 e um conjunto de compósitos GO/polímero, compreendendo copolímeros de metacrilato de metila, acrilato de n-butila e diferentes monômeros funcionais, mostra que ela depende fortemente das funcionalidades do polímero. Em alguns casos, falta o efeito cooperativo do GO. Isso é explicado por uma ligação notavelmente forte do polímero GO, que induziu interações menos eficazes entre o polímero CO2. Quando comparados com os resultados experimentais, nos casos em que as estruturas dos nanocompósitos apresentaram propriedades texturais semelhantes, foram alcançadas as mesmas tendências de captura seletiva de CO2 sobre N2. Além de novos materiais funcionais para captura de CO2 e uma compreensão mais profunda das interações entre moléculas de CO2 com vários materiais, este estudo demonstra adicionalmente que os cálculos de DFT podem ser um caminho mais curto para a seleção eficiente da melhor funcionalização dos materiais compósitos para captura seletiva de CO2.

O aumento significativo e contínuo da concentração de gases com efeito de estufa na atmosfera tornou-se num dos problemas mais fundamentais e persistentes da actualidade, porque as reservas de combustíveis fósseis ainda são acessíveis e os países em desenvolvimento estão em processo de crescimento económico. Entre vários gases com efeito de estufa, o dióxido de carbono (CO2) é um interveniente fundamental no cenário do aquecimento global1. Embora a capacidade global de captura de CO2 tenha atingido 40 milhões de toneladas até 2020, é necessário capturar gigatoneladas de CO2 por ano para ter um impacto significativo nas alterações climáticas2. Uma vez que as tecnologias de energia verde estão longe de substituir as fontes de energia de combustíveis fósseis, a redução das emissões de CO2 e, portanto, a redução do aquecimento global, é uma das questões ambientais mais desafiantes da atualidade. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias de captura de carbono eficientes, seletivas e de baixo custo é crucial2. Estratégias como adsorção química/física3, conversão enzimática4 e separação por membrana5 surgiram como soluções potenciais.

Vários adsorventes têm sido propostos para a captura de CO2, nomeadamente, polímeros porosos, resinas de troca iónica, estruturas covalentes e metal-orgânicas, zeólitos, materiais à base de sílica e alumina, óxidos metálicos, etc. eles sofrem de baixa capacidade de adsorção (ou é necessário um longo tempo para saturação), falta de boa estabilidade química/térmica e/ou seletividade em relação a outros gases, ou têm atividade reduzida na presença de umidade, como adsorventes à base de zeólito9 , 10.

Os adsorventes à base de carbono surgem como uma alternativa promissora para superar a maioria das desvantagens mencionadas, devido a uma das maiores capacidades de adsorção e requisitos de energia relativamente baixos para regeneração . Além disso, características como grande área superficial, estabilidade nas operações do ciclo, estrutura porosa que pode ser facilmente funcionalizada e rápida cinética de adsorção os endossam como um dos adsorventes mais promissores. Dentre esses materiais, devido aos menores custos de produção, o grafeno e seus derivados têm sido considerados para uso comercial11. Com o objetivo de melhorar ainda mais a capacidade de adsorção e capacidade de separação, a funcionalização da superfície do grafeno com heteroátomos (N, S, O, etc.) tem sido amplamente investigada, bem como a produção de compósitos com polímeros como polipirrol12, polianilina13, poliindol14, politiofeno15 , mono-, di- e trietileno-triamina16, tetraetilenopentamina17, poli(cloreto de dialildimetilamônio)/poliestireno sulfonato18, poli(dimetilsiloxano)19, bloco de poliéter amida20, polietileno-imina21, e também com estruturas metal-orgânicas22.