Dos filtros de partículas de fuligem aos combustíveis renováveis
A clarificação dos processos químicos nos filtros de partículas de fuligem abre novas vias para a produção de combustíveis sintéticos
Encontramos partículas de carbono em muitas áreas da nossa vida. A fuligem, ou seja, as minúsculas partículas de carbono, é produzida quando as fontes de energia, como o petróleo ou a madeira, não são completamente queimadas. Os filtros de partículas de fuligem, por outro lado, removem as partículas de tamanho nanométrico a micrométrico dos gases de escape dos automóveis com a ajuda de reacções químicas de superfície. As partículas de carbono também podem ser utilizadas industrialmente, uma vez que o carbono pode ser convertido com dióxido de carbono (CO2) e água em precursores de combustíveis sintéticos a temperaturas superiores a 1000 graus Celsius. Em ambas as aplicações, as reacções químicas na superfície do carbono desempenham um papel decisivo, mas ainda não se sabe muito bem em que condições prevalecem determinadas vias de reação.
O carbono é decomposto pelo dióxido de azoto e pelo oxigénio
Os investigadores do Instituto Max Planck de Química podem agora explicar melhor o que acontece durante a oxidação das nanopartículas de carbono no filtro de partículas de fuligem. Investigaram o que acontece às minúsculas partículas de fuligem em condições típicas dos gases de escape dos motores diesel. A temperaturas de cerca de 270 - 450° Celsius, o carbono encontra os gases reactivos dióxido de azoto (NO2) e oxigénio (O2). Estes gases oxidam o carbono e decompõem-no. Resultado: quanto mais alta a temperatura, mais rapidamente a massa de carbono desaparece. Em seguida, introduziram os dados experimentais no chamado modelo cinético multicamadas (KM-GAP-CARBON).
A modelação mostra o que acontece quimicamente: A temperaturas mais baixas, a decomposição do carbono é determinada pelo dióxido de azoto, enquanto a temperaturas mais elevadas é determinada pelo oxigénio. Ao mesmo tempo que a via de reação dominante se altera, a energia de ativação que deve ser aplicada para que uma reação química tenha lugar também se altera.
O modelo químico tem origem na investigação do aerossol atmosférico
"O nosso modelo foi originalmente desenvolvido para descrever a química dos aerossóis e das partículas na atmosfera. No entanto, também funciona muito bem para aplicações técnicas de alta temperatura", diz Thomas Berkemeier, autor principal do estudo e líder do grupo de investigação do Instituto Max Planck em Mainz. "O nosso modelo ajuda-nos a compreender por que razão a via da reação química é influenciada pela temperatura. Também explica uma segunda peculiaridade: nas medições, observamos que a taxa de reação é mais elevada no início e no fim da reação".
De acordo com o estudo recentemente publicado na revista Angewandte Chemie, os átomos de carbono mais reactivos são primeiro oxidados e volatilizados na superfície das partículas de carbono, o que leva a que menos átomos reactivos se acumulem na superfície. Isto conduz inicialmente a uma espécie de passivação das partículas e a oxidação abranda. "No final da reação, o rácio entre a superfície das partículas e o seu volume é particularmente elevado, razão pela qual a taxa de reação normalizada em função do volume volta a aumentar de forma acentuada", explica Berkemeier, que também gostaria de analisar no futuro a estrutura exacta das partículas através de métodos microscópicos e espectroscópicos. O químico e a sua equipa estão também a planear outros estudos cinéticos de reação para investigar os efeitos de outros agentes e condições oxidantes.
A investigação fundamental contribui para o desenvolvimento de combustíveis renováveis
"A nossa investigação não só melhora a nossa compreensão dos processos fundamentais nas superfícies de carbono. Estamos também a apoiar o desenvolvimento de processos inovadores no domínio das aplicações ambientais e energéticas, por exemplo, na captura de carbono para reduzir as emissões de CO2 e para otimizar as condições de produção no fabrico de combustíveis sintéticos", acrescenta Ulrich Pöschl, coautor e Diretor do Instituto Max Planck de Química. "Os resultados de muitos anos de investigação científica fundamental contribuem assim também para o desenvolvimento sustentável da tecnologia e da sociedade no Antropoceno".
O termo Antropoceno refere-se à atual era geológica, caracterizada pela influência crescente e globalmente generalizada dos seres humanos no planeta, e tem feito parte do trabalho científico e de investigação do Instituto Max Planck de Química desde a sua descoberta pelo Prémio Nobel Paul Crutzen.
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