Materiais sólidos de carbono atraíram atenção como uma opção mais viável. Esses materiais são relativamente baratos e possuem uma grande área superficial que permite a captura do CO₂. Além disso, podem liberar o gás utilizando menos calor, especialmente quando contêm grupos funcionais à base de nitrogênio. No entanto, existe uma limitação importante. Os métodos de fabricação tradicionais distribuem esses grupos de nitrogênio de forma aleatória, complicando a identificação de quais arranjos específicos resultam em melhor desempenho.

Para superar esse desafio, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Yasuhiro Yamada da Escola de Engenharia e pelo Professor Associado Tomonori Ohba da Escola de Ciências da Universidade de Chiba, Japão, desenvolveu um novo tipo de material de carbono chamado ‘viciazites’. Esses materiais foram projetados com os grupos de nitrogênio posicionados lado a lado de forma controlada. O estudo, publicado na revista Carbon, foi coautorado por Kota Kondo, também da Universidade de Chiba.

Construindo Viciazites com Emparelhamento Controlado de Nitrogênio

A equipe criou três versões diferentes de viciazites, cada uma com um tipo exclusivo de configuração de nitrogênio vizinho. Para produzir grupos amina primários adjacentes (-NH₂), eles aqueceram um composto chamado coroneno, que foi tratado com bromo e, em seguida, com gás amônia. Esse método em três etapas alcançou uma seletividade de 76%, significando que a maioria dos átomos de nitrogênio foram colocados nas posições desejadas.

Foram produzidos mais dois materiais utilizando compostos iniciais diferentes. Um apresentava nitrogênio pirrólico adjacente com 82% de seletividade, enquanto o outro continha nitrogênio piridínico adjacente com 60% de seletividade.

Verificação da Estrutura e Teste de Desempenho

Cada material foi aplicado a fibras de carbono ativadas para criar amostras utilizáveis. A equipe confirmou a colocação precisa dos grupos de nitrogênio usando técnicas como espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de fotoelétrons de raios X e modelagem computacional. Esses métodos verificaram que os átomos de nitrogênio estavam posicionados lado a lado, e não distribuídos aleatoriamente.

Nos testes, as amostras mostraram diferença clara no desempenho. As amostras com grupos -NH₂ adjacentes e nitrogênio pirrólico capturaram mais CO₂ do que as fibras de carbono não tratadas. Em contrapartida, a configuração de nitrogênio piridínico ofereceu pouca melhoria.

Liberação de CO₂ a Baixas Temperaturas Pode Reduzir o Consumo de Energia

A descoberta mais notável envolveu a facilidade com que os materiais liberaram CO₂. “A avaliação de desempenho revelou que, em materiais de carbono onde os grupos NH₂ estão introduzidos adjacentes, a maior parte do CO₂ adsorvido é liberada a temperaturas abaixo de 60 °C. Ao combinar essa propriedade com o calor residual industrial, pode ser possível alcançar processos de captura de CO₂ eficientes com custos operacionais substancialmente reduzidos,” destaca o Dr. Yamada.

O material com nitrogênio pirrólico exigiu temperaturas mais altas para liberar CO₂, mas pode oferecer melhor estabilidade a longo prazo devido à sua estrutura química mais robusta.

Um Novo Caminho Rumo à Captura de Carbono Econômica

Este trabalho demonstra que a disposição dos grupos de nitrogênio em padrões adjacentes específicos pode ser feita de maneira confiável, fornecendo uma estratégia clara para o design de materiais de captura de carbono aprimorados. “Nossa motivação é contribuir para a sociedade futura e utilizar nossos materiais de carbono desenvolvidos recentemente com estruturas controladas. Este trabalho oferece caminhos validados para a síntese de materiais de carbono dopados com nitrogênio ‘designer’, oferecendo o controle em nível molecular essencial para o desenvolvimento de tecnologias de captura de CO₂ de próxima geração, econômico e avançado,” conclui o Dr. Yamada.

Além de capturar CO₂, esses materiais de viciazite também podem ser utilizados em outras aplicações, incluindo remoção de íons metálicos ou atuando como catalisadores, graças às suas propriedades de superfície personalizáveis.

Financiamento e Apoio

Este trabalho foi apoiado pela Mukai Science and Technology Foundation, Japan Society for the Promotion of Science (JSPS KAKENHI Grant Number JP24K01251), e pela “Advanced Research Infrastructure for Materials and Nanotechnology in Japan (ARIM)”, do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (MEXT), sob o Grant Number JPMXP1225JI0008.