Em um contexto de transformação acelerada da estrutura energética global e crescimento simultâneo da demanda por materiais avançados, a questão central nas áreas de ciência dos materiais e engenharia de energia está se tornando um desafio. Recentemente, uma equipe de pesquisa da Universidade de Cambridge publicou um estudo na revista Nature Energy, apresentando uma nova abordagem tecnológica para esse problema: por meio da reconstrução sistemática do processo de pirólise do metano e deposição química de vapor com catalisador flutuante (FCCVD), nanotubos de carbono e hidrogênio limpo foram produzidos simultaneamente, sem a geração de dióxido de carbono como subproduto em todo o processo.

A chave para essa conquista reside na profunda transformação da lógica do processo do sistema de pirólise de metano existente. O metano, principal componente do gás natural e do biogás, é considerado há muito tempo uma importante matéria-prima para a produção de hidrogênio e materiais de carbono. No entanto, o processo convencional de reforma a vapor do metano inevitavelmente produz monóxido de carbono e dióxido de carbono, o que o torna controverso no caminho da "produção de hidrogênio com baixa emissão de carbono". Em contraste, a reação de pirólise do metano pode, teoricamente, decompor diretamente o metano em carbono sólido e gás hidrogênio, evitando a participação do oxigênio na reação e eliminando o risco de emissões de dióxido de carbono desde a sua origem.

Em pesquisas anteriores e na prática industrial, a pirólise do metano tem sido considerada mais como uma das rotas de preparação para nanotubos de carbono A pirólise do metano, e seu subproduto, o gás hidrogênio, geralmente é ignorado ou existe apenas como um produto incidental. A equipe da Universidade de Cambridge observou que, se o rendimento de hidrogênio puder ser significativamente melhorado sem sacrificar a qualidade dos nanotubos de carbono, espera-se que a pirólise do metano seja aprimorada de um "processo material" para um "processo de acoplamento de energia material". Essa abordagem aponta diretamente para o gargalo de eficiência de longa data no sistema FCCVD.

O processo FCCVD tradicional utiliza metano como fonte de carbono e emprega catalisadores em fase gasosa para gerar nanotubos de carbono de alta qualidade e alta relação de aspecto sob condições de alta temperatura, o que apresenta vantagens significativas em áreas como agentes condutores de baterias e materiais compósitos de alta tecnologia. No entanto, esse processo depende fortemente da entrada externa de hidrogênio para diluir o metano e evitar a geração de fumaça e poeira. Esse projeto impõe duas restrições ao FCCVD durante o processo de amplificação: por um lado, requer uma grande capacidade de pré-produção de hidrogênio e, por outro, o gás de reação geralmente adota um fluxo unidirecional, com uma grande quantidade de metano não reagido sendo descartada com o gás de exaustão, resultando em baixa eficiência geral de utilização atômica.

A descoberta inovadora da equipe de Cambridge baseia-se precisamente nesse modelo de "alta perda unidirecional". Eles propuseram e validaram um esquema de fluxo de gás circulante em múltiplos estágios, que permite que o metano passe repetidamente pela zona de pirólise de alta temperatura no reator até ser totalmente convertido. Esse sistema fechado não depende mais de gás hidrogênio externo, mas estabelece gradualmente uma composição gasosa adequada por meio da própria reação, suprimindo assim a fumaça e mantendo o crescimento controlável dos nanotubos de carbono.

No projeto experimental, os pesquisadores construíram um reator FCCVD de múltiplos passes em escala laboratorial. O gás metano circula em um ambiente de pirólise de alta temperatura a aproximadamente 1300 °C. Após cada ciclo de reação, apenas cerca de 1% do gás é extraído para a separação do hidrogênio, enquanto o restante retorna à zona de reação para continuar participando do processo. Os nanotubos de carbono gerados são continuamente dispersos e coletados, enquanto outros hidrocarbonetos e traços de sulfeto de hidrogênio na fase gasosa não interferem significativamente no crescimento dos nanotubos de carbono.

A melhoria na eficiência proporcionada por essa estratégia cíclica é significativa. Dados de pesquisa mostram que, em comparação com os reatores FCCVD unidirecionais tradicionais, o rendimento de carbono desse sistema aumentou 8,7 vezes, enquanto a eficiência molar do processo, que mede a eficiência de utilização em nível molecular, aumentou 446 vezes. Esse resultado significa que cada molécula de gás que entra no sistema é convertida e utilizada de forma mais completa, resultando em uma redução significativa nas emissões de resíduos do reator.

Análises adicionais do modelo mostram que, sob condições de parâmetros industriais, o reator multiestágios pode, teoricamente, converter cerca de 75% do gás de alimentação do sistema no produto desejado, e a proporção de nanotubos de carbono para hidrogênio é de aproximadamente 3:1. Essa proporção tem importância prática tanto para a indústria de materiais de serviço quanto para aplicações de energia de hidrogênio: por um lado, os nanotubos de carbono podem ser usados como aditivos condutores para baterias de íon-lítio, e sua demanda está em constante crescimento com a expansão dos mercados de baterias de alta potência e armazenamento de energia; por outro lado, o hidrogênio subproduto constitui uma fonte estável sem introduzir emissões adicionais de carbono, fornecendo uma potencial fonte de baixo carbono para o sistema de energia de hidrogênio.

Vale ressaltar que a equipe de pesquisa também validou a composição de fontes de gás renováveis, como o biogás, utilizando uma mistura de metano e dióxido de carbono como matéria-prima. Esse projeto experimental amplia ainda mais os limites de aplicação da tecnologia, tornando-a não mais restrita a sistemas de energia fóssil, mas com a possibilidade de ser combinada com energia de biomassa e sistemas de tratamento de resíduos agrícolas. Nesse cenário, o dióxido de carbono não é mais emitido diretamente, mas fica "retido" em materiais de carbono sólidos como parte do sistema de alimentação, formando uma nova via de ciclagem de carbono.

Do ponto de vista industrial, o valor desta pesquisa reside não em perturbar o atual panorama da produção de hidrogênio ou da indústria de nanotubos de carbono a curto prazo, mas em demonstrar uma abordagem de processo altamente integrada: ao reconstruir a estrutura do reator e os métodos de gerenciamento de gases, a preparação de materiais e a produção de energia podem ser alcançadas simultaneamente no mesmo sistema. Esse conceito de "acoplamento de processos" é precisamente uma das capacidades mais escassas na atual tendência de desenvolvimento em larga escala e com baixa emissão de carbono da indústria de novos materiais.

É claro que ainda existem muitos desafios de engenharia, desde reatores de laboratório até dispositivos de nível industrial, incluindo a estabilidade a longo prazo de sistemas de alta temperatura, o custo da separação de gases e do controle da circulação, a vida útil do catalisador e a consistência na coleta contínua de nanotubos de carbono. Mas pode-se afirmar que a via FCCVD de múltiplas passagens proposta pela equipe da Universidade de Cambridge forneceu um novo referencial para a pirólise do metano em termos de eficiência da reação e utilização de recursos.

Em um contexto de crescimento paralelo da demanda global por energia de hidrogênio e materiais de carbono avançados, esta conquista da pesquisa demonstra a redefinição do metano, uma molécula energética tradicional, em um novo sistema: não mais apenas um combustível ou matéria-prima química, mas um elo fundamental que conecta energia limpa e materiais de alta tecnologia. Se essa tecnologia puder alcançar uma amplificação confiável no futuro, seu impacto poderá ultrapassar um único setor industrial e se tornar uma inovação fundamental e demonstrativa no sistema industrial de baixo carbono.

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