A reação de deslocamento da água por gás (RWGS) é um processo químico que transforma 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 gerar gás de síntese, uma matéria-prima fundamental utilizada 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 uma via promissora para o avanço da produção de energia sustentável.

Superando as Limitações dos Catalisadores Convencionais

Tradicionalmente, a reação RWGS apresenta melhor desempenho em temperaturas acima de 800 °C. Catalisadores à base de níquel são frequentemente empregados, pois suportam tais altas temperaturas, mas perdem eficiência ao longo do tempo à medida que as partículas se aglomeram, reduzindo a área de superfície e a eficiência. Operar a temperaturas mais baixas evita esse problema, mas também leva à formação de subprodutos indesejados, como metano, diminuindo a produção de monóxido de carbono.

Para tornar o processo mais eficiente e acessível, os pesquisadores têm buscado catalisadores que permaneçam altamente ativos em condições de baixa temperatura. A equipe do KIER conseguiu isso ao desenvolver um novo catalisador à base de cobre que apresenta resultados impressionantes 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 vantagem crucial em relação aos de níquel: eles podem produzir seletivamente apenas monóxido de carbono a temperaturas abaixo de 400 °C sem gerar metano. No entanto, a estabilidade térmica do cobre geralmente diminui perto dessa temperatura, levando ao aglomerado das 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 folhas metálicas finas, juntamente com moléculas de água e ânions entre elas. Ajustando a relação e o tipo de íons metálicos, os pesquisadores aperfeiçoaram as características físicas e químicas do catalisador. A adição de ferro e magnésio ajudou a preencher os espaços entre as partículas de cobre, efetivamente impedindo o aglomeramento e melhorando a resistência ao calor.

Testes de análise em tempo real com infravermelho e reações demonstraram o porquê do excelente desempenho do novo catalisador. Catalisadores de cobre convencionais convertem CO₂ em monóxido de carbono através de compostos intermediários chamados formiatos. O novo material, no entanto, evita completamente esses intermediários, convertendo CO₂ diretamente em CO em sua superfície. Como evita reações secundárias que geram 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·gcat⁻¹·s⁻¹), mantendo estabilidade por mais de 100 horas contínuas. Esses resultados representam uma taxa de formação 1,7 vezes superior 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 muito 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 mais eficientes do mundo para a conversão de CO₂.

“A tecnologia de catalisadores para hidrogenação de CO₂ a baixa temperatura é uma conquista inovadora que possibilita a produção eficiente de monóxido de carbono utilizando metais baratos e abundantes,” afirmou Dr. Kee Young Koo, o pesquisador principal do projeto. “Pode ser aplicado diretamente na produção de matérias-primas essenciais para combustíveis sintéticos sustentáveis. No futuro, continuaremos nossa pesquisa para expandir sua aplicação em ambientes 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 de biomassa sustentável. Eles estão emergindo como uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis convencionais, especialmente para setores de difícil descarbonização, 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 na área de 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.’