A Reação de Mudança do Vapor de Água Reversa (RWGS)

A reação de mudança do vapor de água reversa (RWGS) é um processo químico que converte dióxido de carbono (CO₂) em monóxido de carbono (CO) e água (H₂O) ao reagir com hidrogênio (H₂) em um reator. O monóxido de carbono resultante pode ser combinado com hidrogênio para produzir gás de síntese (syngas), um bloco de construção fundamental utilizado na produção de combustíveis sintéticos como e-combustíveis* e metanol. Devido à sua capacidade de reciclar CO₂ em componentes de combustível utilizáveis, a reação RWGS é vista como um caminho promissor para avançar na produção de energia sustentável.

Superando os Limites dos Catalisadores Convencionais

Tradicionalmente, a reação RWGS funciona melhor a temperaturas acima de 800 °C. Os catalisadores à base de níquel são frequentemente utilizados porque suportam esse calor, mas perdem eficiência ao longo do tempo, pois as partículas se aglomeram, reduzindo a área de superfície. Operar em temperaturas mais baixas evita esse problema, mas também leva à formação de subprodutos indesejados, como o metano, diminuindo a produção de monóxido de carbono.

Para tornar o processo mais eficiente e acessível, os pesquisadores têm buscado catalisadores que se mantenham altamente ativos em condições de baixa temperatura. A equipe do KIER conseguiu isso ao desenvolver um novo catalisador à base de cobre que fornece resultados excepcionais a apenas 400 °C.

Um Avanço no Design de Catalisadores de Cobre

O novo catalisador de óxido misto de cobre-magnésio-ferro superou catalisadores comerciais de cobre, produzindo monóxido de carbono 1,7 vezes mais rápido e com um rendimento 1,5 vezes maior a 400 °C.

Os catalisadores de cobre têm uma grande vantagem sobre o níquel: podem produzir seletivamente apenas monóxido de carbono a temperaturas abaixo de 400 °C sem formar metano. No entanto, a estabilidade térmica do cobre geralmente diminui perto dessa temperatura, levando ao aglomerado de partículas e perda de atividade.

Para resolver esse desafio, a equipe do Dr. Koo incorporou uma estrutura de hidróxido duplo em camadas (LDH) em seu design. Essa estrutura em camadas contém finas folhas de metal com moléculas de água e ânions entre elas. Ao ajustar a proporção e o tipo de íons metálicos, os pesquisadores ajustaram as características físicas e químicas do catalisador. A adição de ferro e magnésio ajudou a preencher as lacunas entre as partículas de cobre, prevenindo efetivamente o aglomerado e melhorando a resistência ao calor.

Análises em tempo real por infravermelho e testes de reação revelaram por que o novo catalisador apresenta um desempenho tão bom. Catalisadores convencionais de cobre convertem CO₂ em monóxido de carbono por meio de compostos intermediários chamados formiatos. O novo material, no entanto, contorna esses intermediários completamente, convertendo CO₂ diretamente em CO em sua superfície. Como evita reações laterais que produzem metano ou outros subprodutos, o catalisador mantém alta atividade mesmo a uma temperatura relativamente baixa de 400 °C.

Desempenho Recorde e Importância Global

A 400 °C, o catalisador alcançou um rendimento de monóxido de carbono de 33,4% e uma taxa de formação de 223,7 micromoles por grama de catalisador por segundo (μmol·g_cat^-1·s_-1), mantendo a estabilidade por mais de 100 horas contínuas. Esses resultados representam uma taxa de formação 1,7 vezes maior e um rendimento 1,5 vezes maior do que os catalisadores de cobre padrão. Quando comparado a catalisadores à base de platina, que são caros mas altamente ativos, o novo catalisador ainda superou com uma taxa de formação 2,2 vezes mais rápida e um rendimento 1,8 vezes maior. Isso o coloca entre os catalisadores de conversão de CO₂ de melhor desempenho do mundo.

“A tecnologia de catalisador de hidrogenação a baixa temperatura de CO₂ é uma conquista inovadora que permite a produção eficiente de monóxido de carbono usando metais baratos e abundantes,” disse o Dr. Kee Young Koo, líder do projeto. “Ela pode ser aplicada diretamente à produção de matérias-primas essenciais para combustíveis sintéticos sustentáveis. No futuro, continuaremos nossa pesquisa para expandir sua aplicação em cenários industriais reais, contribuindo assim para a realização da neutralidade de carbono e a comercialização de tecnologias de produção de combustíveis sintéticos sustentáveis.”

Notas

* E-combustíveis são combustíveis sintéticos produzidos pela combinação de hidrogênio verde, gerado com eletricidade renovável, e CO₂ capturado da atmosfera ou biomassa sustentável. Eles estão surgindo como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis convencionais, especialmente para setores difíceis de descarbonizar como aviação e transporte marítimo.

Os resultados da pesquisa foram publicados online em maio de 2025 na Applied Catalysis B: Environmental and Energy, uma revista de destaque no campo da catálise ambiental e energética. O estudo foi apoiado pelo projeto de P&D do KIER, ‘Desenvolvimento da tecnologia de produção de e-SAF (combustível de aviação sustentável) a partir de dióxido de carbono e hidrogênio.