Atualmente, as tecnologias CCUS estão em diversos níveis de maturidade. Por exemplo, a captura de CO2 baseada em aminas já é implementada em grande escala durante a produção de produtos químicos.1 Outras tecnologias emergentes têm potencial para um melhor desempenho a custos unitários mais baixos, mas ainda requerem maior desenvolvimento.

 

Aqui discutimos dois novos materiais com características de desempenho promissoras para captura de carbono: estruturas nanoporosas de amina sólida e filtros de membrana de grafeno. A espectroscopia Raman é vital para caracterizar e desenvolver esses materiais de ponta. A linha de espectrômetros da Renishaw fornece caracterização química e estrutural para que a síntese desses materiais avançados possa ser otimizada com sucesso.

Captura de carbono baseada em amina sólida

A lavagem com aminas é aplicada desde 1930 e permite a coleta de CO2 com alta pureza (>99%).2 A lavagem com aminas é o processo de remoção de sulfeto de hidrogênio (H2S) e dióxido de carbono (CO2) de gases de combustão usando soluções aquosas de aminas. Normalmente, o CO2 é capturado usando solução de monoetanolamina (20–30% em peso em água) e depois liberado em altas temperaturas de 100–120 °C. Este processo produz uma enorme quantidade de solvente degradado como resíduo. Portanto, as atuais tecnologias de depuração consomem muita energia e são antieconômicas. Como resultado, há um interesse renovado em materiais de amina sólida para captura de carbono.

 

Estruturas nanoporosas à base de carbono são particularmente atraentes como sistema de captura de CO2 à base de amina sólida, devido à sua estabilidade térmica relativamente alta, resistência química e potencial para produção em larga escala a baixo custo. Uma alta porcentagem de porosidade pode ser projetada para obter facilmente grandes quantidades de impregnação de amina para absorção eficaz de CO2.

 

O professor Zheng-Xiao Guo e seus colegas de trabalho da University College London, Reino Unido, relataram um método escalável e bem controlado para obter estruturas nanoporosas à base de carbono impregnadas com amina. Eles sintetizaram redes de grafeno meso e macroporosas altamente hierárquicas, preparadas por esfoliação por choque térmico de óxido de grafeno (GO) a temperaturas moderadas de 300˚C por um curto período de cerca de 5 minutos.3 O grau de oxidação do GO controla a força da esfoliação para produzir porosidade extraordinária: tanto a área de superfície específica (SSA, ≈800 m2 g-1) quanto o volume total de poros ultra-alto (≥6 cm3 g-1) são significativamente maiores do que para outros carbonos mesoporosos, metal-orgânicos estruturas (MOFs), sílicas e zeólitas. A análise Raman das bandas D e G do GO foi realizada em um microscópio Raman confocal inVia™ para confirmar os vários graus de modificação química antes e depois da esfoliação (Figura 1).

Figura 1: Os espectros Raman das amostras de óxido de grafeno esfoliado (exfGO) representam um estado altamente desordenado das amostras devido à modificação química. As amostras exfGO são rotuladas de A a D em ordem crescente de estado de oxidação. Observe que a banda 2D do grafeno (≈2700 cm−1) quase não é detectada, indicando uma perda de estrutura (ordem).

Figura 2: Morfologia de superfície altamente em rede e porosidade de amostras exfGO-D determinadas por microscopia eletrônica. As linhas superior e inferior mostram as micrografias do microscópio eletrônico de varredura (MEV) e do microscópio eletrônico de tunelamento (TEM), respectivamente.

Um filtro de membrana de grafeno eficiente e econômico

Os filtros de membrana são atraentes como uma solução energeticamente eficiente para captura de carbono. O desafio de alcançar a separação molecular por peneiração de gás através de grafeno nanoporoso de camada única tem sido pesquisado há mais de 10 anos4. Mais recentemente, o professor Kumar Varoon Agrawal e sua equipe de engenheiros químicos da Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) desenvolveram uma membrana de filtro de grafeno altamente seletiva para captura de carbono. Este filtro de grafeno supera a eficiência das tecnologias comerciais existentes de captura de carbono, a um custo significativamente reduzido de US$ 30 por tonelada de dióxido de carbono.5

 

O método de síntese altamente controlado desenvolvido pelo grupo do Prof Agrawal pode atingir uma alta densidade de poros e uma distribuição estreita de tamanho de poros (PSD) através de monocamadas de grafeno. Isto se traduz em resolução sub-angstrom para diferenciação molecular entre moléculas de tamanhos semelhantes: CO2/N2; CO2/CH4; O2/N2. As membranas de grafeno resultantes apresentam excelente desempenho de peneiramento com grande permeância de CO2 e O2. As membranas são, portanto, um material escalável e energeticamente eficiente para a captura de carbono.

 

A espectroscopia Raman foi usada para caracterizar os filmes nanoporosos de grafeno de camada única (N-SLG), que foram sintetizados por tratamento com O3 em um reator.6 A alta sensibilidade e as capacidades de mapeamento rápido do microscópio confocal Raman inVia da Renishaw permitiram a caracterização estrutural do nanoporoso filmes de grafeno de camada única. A análise Raman revelou relações ID/ID' abaixo de 3, o que indica que a maioria dos defeitos eram defeitos de grafite semelhantes a bordas (Figura 3). A imagem Fast Raman foi usada para medir a relação ID/IG, indicando assim que os defeitos porosos foram gerados uniformemente em uma grande área.

Figura 3: Incorporação precisa de uma alta densidade de defeitos de vacância em grafeno nanoporoso de camada única por gaseificação em milissegundos com O3. (A) Esquema da configuração do reator. (B) Perfil do pulso de O3 no reator. (C) Análise de espectroscopia Raman mostrando a evolução do N-SLG com o aumento da dose de O3.

Novos materiais podem ajudar a descarbonizar processos industriais

A urgência de descarbonizar os processos industriais e a geração de energia a partir de combustíveis fósseis está a impulsionar o desenvolvimento de novos materiais funcionais. A espectroscopia Raman pode ajudar os pesquisadores a otimizar a química e a estrutura de materiais nanoestruturados. Várias tecnologias promissoras estão sendo desenvolvidas para aplicações de captura de carbono e estamos entusiasmados em ver como a análise Raman é usada para enfrentar esse desafio.