O aumento do consumo de combustíveis fósseis aliado à emissão de gases de efeito estufa tem levado a uma crise energética e ao aquecimento global. O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC - https://www.ipcc.ch/) já alertou que são necessárias ações urgentes para uma transição energética visando a mitigação das alterações climáticas. Para intensificar uma ação climática global, o Parlamento Europeu aprovou recentemente a Lei Europeia do Clima (Regulamento (UE) 2018/1999) que estabelece uma meta juridicamente vinculativa de zero emissões líquidas de gases de efeito estufa até 2050 para os países da UE. O projeto CO2-to-CH4 está alinhado com essa política, contribuindo para fechar o ciclo de carbono antropogénico, pela conversão de CO2, o principal poluente do ar, em metano (CH4) renovável, por meio de uma tecnologia inovadora ambientalmente correta baseada em membranas foto-termocatalíticas movidas a luz solar. Este projeto pretende demonstrar a viabilidade da tecnologia, abrangendo desde princípios básicos até a prova de conceito experimental, que corresponde a um nível de prontidão de tecnologia (TRL) de 3. A nova tecnologia pretende ser verde, robusta, versátil, escalável, e potencialmente capaz de promover rendimentos de metanação próximos de 100%.
Para cumprir o objetivo geral do projeto, quatro objetivos parciais serão abordados: (i) desenvolvimento de novos foto-termocatalisadores hierarquicamente estruturados baseados em nanopartículas metálicas plasmónicas, apresentando alta seletividade, atividade e resposta à luz UV-Vis-IR; (ii) desenvolvimento de um sistema disruptivo de fluxo contínuo composto por um fotoreator de membrana tubular acoplado a um coletor solar concentrador, apresentando baixas limitações de transferência de massa e elevada capacidade para aproveitar todo o espectro solar (desde a radiação UV à IR); (iii) desenvolvimento de membranas fotocatalíticas nano-reforçadas com elevada permeabilidade para os gases CO2 e hidrogénio (H2); e (iv) aplicação da tecnologia de membrana foto-termocatalítica movida a energia solar para a hidrogenação seletiva de CO2 em CH4, visando altas eficiências de conversão de energia solar em combustível sob condições amenas iniciais.
O projeto começará com a síntese, teste e caracterização de catalisadores fototérmicos (Atividade 1), compostos por nanopartículas metálicas plasmónicas suportadas em semicondutores metálicos de banda larga e/ou materiais porosos com alta afinidade para CO2. A atividade fotocatalítica e a seletividade para CH4 serão otimizadas num fotoreator descontínuo em fase gasosa sob luz solar simulada, em função da composição do catalisador e das condições de operação. Além disso, os materiais serão caracterizados em termos de propriedades morfológicas, estruturais e óticas. Simultaneamente, o fotoreator de membrana tubular de fluxo contínuo também será desenvolvido (Atividade 2). O reator compreenderá uma membrana de microfiltração inserida num tubo de vidro externo, colocados acima de um coletor solar para concentrar a luz em todo o comprimento/profundidade da zona anelar do reator. Finalmente, o catalisador será depositado na superfície externa da membrana, e o desempenho da tecnologia de membrana foto-termocatalítica, aplicada à valorização de CO2 em CH4, será avaliado sob irradiação solar simulada e natural (Atividade 3).
No final deste projeto, espera-se conseguir: (i) novos catalisadores fototérmicos com alta seletividade para CH4 (~100%) e capazes de criar altas temperaturas superficiais locais, de modo a atingir elevadas conversões de CO2, sem aquecimento externo; e (ii) uma tecnologia pioneira sustentada num reator de membrana fototérmica, em fluxo contínuo, movido a energia solar, capaz de concentrar fotões UV-Vis-IR na superfície do catalisador, de modo a aumentar os rendimentos de metanação no modo de operação contínua. A tecnologia global também pretende ser: (i) versátil, pois pode ser aplicada para produzir outros combustíveis renováveis a partir de CO2 (através do ajuste do catalisador) ou em outros campos, como fixação de N2 para síntese de amônia e oxidação seletiva de compostos orgânicos; (ii) escalável, pois o tamanho/número dos tubos/membranas/coletores pode ser aumentado; e (iii) verde, pois utiliza luz solar como fonte de radiação/eletricidade (por meio de concentradores solares/ painéis fotovoltaicos), H2 verde como agente redutor (que seria produzido pela eletrólise da água) e nenhum subproduto nocivo é gerado (somente O2/H2O são produzidos a partir da reação de eletrólise da água/metanação ). |