Estudo com 9.389 reações indica que o hidrogênio pode agir como molécula inteira ao converter CO₂ em combustível

Ao transformar dióxido de carbono (CO₂) em combustível, o hidrogênio pode, em algumas etapas, ser transferido como molécula inteira (H₂), e não só como átomos. A transferência é para os intermediários da reação, as substâncias formadas no meio do caminho. É o que indica um estudo do Instituto Indiano de Ciência (IISc), publicado na revista Nature Communications. Cálculos de mecânica quântica (simulações da física dos átomos) confirmaram que esse caminho pode ser especialmente favorável quando o intermediário tem oxigênio.

A equipe construiu um mapa de 9.389 reações elementares (etapas de um passo só) sobre um catalisador de cobre, material que acelera reações. Partiu de 152 reações calculadas por mecânica quântica.

Depois, treinou modelos de aprendizado de máquina (programas que aprendem padrões em dados). Eles estimam as barreiras de energia de ativação, a energia que uma reação precisa vencer. Ferramentas automáticas listaram as reações possíveis entre 105 espécies químicas da superfície e indicaram quais ocorreriam em uma só etapa.

Ananth Govind Rajan é professor associado de engenharia química do IISc. Segundo ele, a rede com as 152 reações iniciais indicava ácido fórmico, e não metanol, como produto principal. Também subestimava a conversão de CO₂. Só depois de incluir milhares de reações extras, antes ignoradas, as previsões ficaram de acordo com o que ele e outros grupos observam em experimentos.

Em um modelo cinético (que calcula a velocidade das reações), a rede ampliada previu um aumento de cerca de 40 vezes na conversão de CO₂. Ela também identificou corretamente metanol e monóxido de carbono como produtos principais, de acordo com os experimentos.

Os testes experimentais foram feitos por colaboradores da Hindustan Petroleum Corporation Limited e da Agência para Ciência, Tecnologia e Pesquisa, em Singapura.

Shivam Chaturvedi, coautor e doutorando de engenharia química no IISc, diz que a transferência do hidrogênio como molécula inteira contraria o que a maioria aprendeu. Segundo ele, isso só apareceu porque a rede era grande o bastante, e se manteve quando a equipe calculou as etapas uma a uma.

Por que importa

Tradicionalmente, os pesquisadores escolhem um número relativamente pequeno de reações prováveis, porque simular todas com mecânica quântica custa caro demais. Isso pode deixar de fora centenas de reações importantes. Anand Mohan Verma, primeiro autor, resume a dúvida de quem faz esses modelos: como saber se ficou de fora a única etapa que importa?

Segundo a Phys.org, a abordagem poderia ajudar a entender melhor, e um dia a projetar, catalisadores eficazes para transformar CO₂ em combustíveis e produtos químicos. Chaturvedi acrescenta que catalisadores que interagem mais fortemente com a molécula de hidrogênio (H₂) poderiam favorecer os caminhos até o metanol. Os pesquisadores dizem que a mesma estrutura poderia, potencialmente, servir a outros processos industriais com catalisadores, como a divisão da água em hidrogênio e oxigênio. A fonte não traz testes nesses casos.