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

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15992 (2022) Citar este artigo

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Existe uma necessidade constante de tecnologias versáteis para reduzir o aumento contínuo da concentração de CO2 na atmosfera, capazes de fornecer soluções eficazes em diferentes condições (temperatura, pressão) e composição do gás de combustão. Neste trabalho, uma combinação de óxido de grafeno (GO) e partículas de polímero à base de água funcionalizadas 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 escalável, barata e ambientalmente amigável. Existem enormes possibilidades de diferentes monômeros funcionais que podem ser selecionados para funcionalizar as partículas poliméricas e fornecer CO2-filicidade às nanoestruturas compostas. A teoria funcional de 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 a triagem eficiente de monômeros funcionais. A estimativa da energia de ligação entre o CO2 e um conjunto de compósitos GO/polímero, compreendendo copolímeros de metil metacrilato, n-butil acrilato e diferentes monômeros funcionais, mostra que ela depende fortemente das funcionalidades do polímero. Em alguns casos, há falta de efeito cooperativo do GO. Isso é explicado por uma ligação GO-polímero notavelmente forte, que induziu interações CO2-polímero menos eficazes. Quando comparados com os resultados experimentais, nos casos em que as estruturas dos nanocompósitos apresentaram propriedades texturais semelhantes, as mesmas tendências para captura seletiva de CO2 sobre N2 foram alcançadas. 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 também demonstra que os cálculos 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 de efeito estufa na atmosfera tornou-se um dos problemas mais fundamentais e persistentes da atualidade, porque as reservas de combustíveis fósseis ainda são acessíveis e os países em desenvolvimento estão em processo de crescimento econômico. Entre vários gases de efeito estufa, o dióxido de carbono (CO2) é um dos principais atores no cenário de aquecimento global1. Embora a capacidade global de captura de CO2 tenha atingido 40 milhões de toneladas até 2020, gigatoneladas por ano de CO2 devem ser capturadas para ter um impacto significativo nas mudanças climáticas2. Como 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 desafiadoras 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 possíveis soluções.

Vários adsorventes têm sido propostos para a captura de CO26,7,8, ou seja, polímeros porosos, resinas de troca iônica, estruturas covalentes e metal-orgânicas, zeólitas, 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 zeólita9 , 10.

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 regeneração6,7,8. Além disso, características como grande área superficial, estabilidade em operações cíclicas, estrutura porosa que pode ser facilmente funcionalizada e rápida cinética de adsorção os endossam como um dos adsorventes mais promissores. Dentre esses materiais, devido ao menor custo 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 separação, a funcionalização da superfície do grafeno com heteroátomos (N, S, O, etc.) , mono-, di- e trietileno-triamina16, tetraetilenopentamina17, poli(cloreto de dialildimetilamônio)/sulfonato de poliestireno18, poli(dimetilsiloxano)19, bloco de poliéter amida20, polietileno-imina21 e também com estruturas metal-orgânicas22.