O papel dos gases de efeito estufa

Os gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera ajudam a controlar a temperatura e o clima da Terra. Eles agem como um cobertor, mantendo a Terra aquecida o suficiente para a vida (Figura 1A). Sem os GEE, a Terra congelaria e os seres humanos, os animais e as plantas não seriam capazes de sobreviver.

Os principais GEE são o vapor de água (H2O), o dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4). Esses gases existem naturalmente há milhões de anos e desempenham um papel fundamental para a existência da vida. No entanto, atividades humanas como o consumo, a produção de bens em fábricas e diversas formas de transporte estão adicionando cada vez mais gases de efeito estufa à atmosfera (Figura 1B). Isso leva ao aumento da temperatura da superfície da Terra, influenciando as mudanças climáticas, que prejudicam os ecossistemas, reduzem a biodiversidade e causam problemas como a acidificação dos oceanos, que ameaçam toda a cadeia alimentar (Figura 1A).

CO2: O principal gás de efeito estufa

O CO2 é o GEE (gás de efeito estufa) mais importante produzido pelos humanos. Ele permanece na atmosfera por longos períodos, de centenas ou até milhares de anos. Processos naturais chamados sumidouros de carbono podem remover o CO2 do ar (Figura 1B). Por exemplo, a fotossíntese, que é a forma como as plantas absorvem o CO2 e o convertem em oxigênio e alimento, é um sumidouro de carbono. A absorção natural de CO2 pelos oceanos e processos geológicos, como a absorção de CO2 pela água da chuva ou a reação com rochas e solo para formar novos minerais ao longo de milhares de anos, são outros exemplos de sumidouros de carbono.

Infelizmente, porém, esses processos naturais não são rápidos o suficiente para absorver o CO2 adicional que os humanos continuam a adicionar à atmosfera.

Precisamos agir agora!

Os cientistas concordam que, para deter o aquecimento global, devemos atingir o que se chama de emissões líquidas zero de CO2 até 2050. Isso significa equilibrar a balança. Se adicionarmos algo, precisamos subtrair a mesma quantidade para manter o valor, ou seja, o balanço líquido deve ser zero. Zerar o balanço líquido significa equilibrar a quantidade de CO2 que liberamos com a quantidade que removemos da atmosfera, de modo que nenhum CO2 extra se acumule. Mas zerar o balanço líquido é extremamente difícil. Pense em quanto dependemos de carros, aviões, fábricas e até mesmo eletricidade, que frequentemente geram CO2. Portanto, precisamos explorar soluções para remover o CO2 que já está no ar.

Abordagens de Descarbonização

Cientistas têm trabalhado há várias décadas em diversas estratégias para reduzir as emissões de CO2 e removê-lo da atmosfera — um processo conhecido como descarbonização (Figura 1C). Uma abordagem baseia-se na captura direta do CO2 dos gases emitidos pelas fábricas e no armazenamento desses gases, num processo chamado sequestro. Para o armazenamento de CO2, utilizam-se reservatórios permanentes, como formações geológicas subterrâneas profundas ou aquíferos salinos. Outro método de descarbonização consiste no plantio de árvores para criar bosques ou no reflorestamento de áreas desmatadas.

Além disso, nos últimos 20 anos, os cientistas têm explorado um novo e promissor método de descarbonização: a utilização do CO2 como matéria-prima para a criação de produtos úteis e de energia.

Por que usar CO2 para fabricar produtos úteis?

O carbono (C) é um dos blocos de construção mais importantes da vida. Ele está presente em todos os seres vivos ou que já foram vivos, como plantas, animais e até mesmo nos alimentos. O carbono também está presente em muitos produtos fabricados pelo homem que usamos diariamente, como plásticos, móveis, roupas, tintas, medicamentos, cosméticos e combustíveis. O que torna o carbono tão especial é sua capacidade de formar ligações fortes consigo mesmo e com outros elementos, como oxigênio (O), nitrogênio (N) e enxofre (S). Essas ligações fortes permitem a criação de todos os tipos de materiais naturais e artificiais (Figura 2A).

Por que é difícil transformar CO2?

O CO2 é uma molécula extremamente estável. Seus átomos de carbono (C) e oxigênio (O) estão fortemente ligados, como peças de LEGO firmemente encaixadas. Quebrar essas ligações e rearranjar os átomos para criar novas moléculas exige muito esforço, o que significa que a transformação química do CO2 em algo novo é um grande desafio. Para superar essa barreira e tornar esse processo mais fácil e rápido, os químicos usam ferramentas poderosas chamadas catalisadores. Um catalisador é uma substância especial que acelera as reações químicas sem ser consumida. Os catalisadores incentivam as moléculas a se unirem e formarem novos produtos, reduzindo o esforço necessário para a reação.

Os catalisadores podem ajudar na descarbonização.

Um catalisador é uma substância que acelera as reações químicas sem ser consumida ou alterada. Os catalisadores incentivam as moléculas a se unirem e formarem novos produtos, reduzindo o esforço necessário para a reação. Os catalisadores têm partes especiais chamadas sítios ativos. São como pequenas estruturas nas quais o catalisador e as moléculas se encaixam perfeitamente. É nesse momento que a reação ocorre e as moléculas são transformadas em algo novo. Esses sítios ativos são como pequenos compartimentos ou estruturas onde o catalisador e as moléculas reagentes se encaixam perfeitamente, como peças de um quebra-cabeça. Quando as moléculas se encaixam nos sítios ativos, a reação acontece e elas são transformadas em algo novo. O sítio ativo acelera e facilita a reação, sem se esgotar, permitindo que continue atuando repetidamente (Figura 3A).

Bons catalisadores não apenas aceleram as reações, como também as direcionam para produzir os produtos “certos” e evitar a produção indesejada de subprodutos desnecessários (Figura 3B). Essa propriedade, chamada seletividade, é fundamental para tornar os processos químicos mais eficientes e ecologicamente corretos.

Os catalisadores podem ter diferentes formas e estados, podendo ser sólidos ou líquidos. Os catalisadores sólidos são mais fáceis de manusear porque podem ser facilmente separados de misturas líquidas por filtração, da mesma forma que separamos o macarrão da água usando uma peneira. Ao tornar a transformação de moléculas como o CO2 mais eficiente, os catalisadores economizam energia, reduzem custos e ajudam a diminuir as emissões de CO2.

Catalisadores no dia a dia, na ciência e na indústria

Os catalisadores estão por toda parte. Por exemplo, temos catalisadores naturais chamados enzimas em nossos corpos, que atuam como catalisadores naturais, ajudando a decompor os alimentos em nutrientes. Da mesma forma, o fermento usado no preparo de pães e biscoitos atua como um catalisador para criar as minúsculas bolhas que ajudam a massa a crescer e ficar fofa.

Nas últimas décadas, os cientistas fizeram grandes descobertas e aprenderam como os catalisadores funcionam. Exploraram a influência dos catalisadores nas condições de reação (por exemplo, calor, tempo e ingredientes) e na velocidade da reação. Além disso, os avanços na tecnologia e nos dispositivos permitem estudar e monitorar reações em escalas incrivelmente pequenas, até o nível de moléculas (microscópio), nanoestruturas (1000 vezes menores) ou mesmo átomos individuais [1].

Os catalisadores são ferramentas poderosas que ajudam os químicos a superar os desafios de transformar moléculas como o CO2 em produtos úteis — tudo isso economizando energia e recursos, reduzindo as emissões de CO2 e protegendo o planeta [2]. Hoje, os catalisadores desempenham um papel crucial na produção de mais de 80% dos produtos que usamos, tornando-os vitais para a indústria e a economia. No futuro, os catalisadores serão ainda mais importantes para a produção de água limpa, energia renovável, suprimentos alimentares sustentáveis ​​e produtos ecológicos.

Mas os catalisadores não são apenas ferramentas para químicos, são ferramentas incríveis para construir um mundo melhor.

Zeólitas e Sílica Mesoporosa Ordenada (OMS): Catalisadores Poderosos

Zeólitas são minúsculos cristais chamados peneiras moleculares devido aos seus poros e canais de dimensões microporosas que atuam como uma peneira, selecionando quais moléculas capturar e reagir dependendo do seu tamanho. A sílica mesoporosa ordenada (OMS) é um material especial composto principalmente de sílica, uma substância semelhante à areia da praia. O que torna esses materiais únicos é sua estrutura incrível. Eles são como esponjas super pequenas, cheias de poros e canais microscópicos medidos em nanômetros (um bilionésimo de metro) (Figura 3C). Devido a essas minúsculas aberturas, as zeólitas e os OMS também são chamados de “peneiras moleculares”, pois conseguem separar moléculas controlando quais passam por elas e quais ficam retidas, com base no tamanho das moléculas. É como tentar passar bolas de tamanhos diferentes por uma peneira: as menores passam, mas as maiores não. Dessa forma, esses catalisadores podem escolher quais moléculas reter e reagir, direcionando a reação para os produtos desejados de acordo com seu tamanho molecular. As zeólitas e os OMSs podem ter diferentes formatos, tipos e uma enorme variedade de sítios ativos. Essas características ajustáveis ​​permitem que os cientistas personalizem suas propriedades.

Há mais de 100 anos, zeólitas e OMS são utilizadas em diversos setores industriais para as mais variadas tarefas. Elas contribuíram para a produção de gasolina, purificação de água e purificação do ar. Nos últimos 25 anos, preparamos catalisadores poderosos a partir desses materiais em nosso laboratório e os utilizamos na fabricação ecologicamente correta de produtos úteis, ajudando assim a proteger o planeta. Esses materiais incríveis podem ser minúsculos, mas estão fazendo uma grande diferença na solução de alguns dos desafios mais complexos do mundo.

Zeólitas e OMS podem converter CO2 em produtos úteis.

Em nosso laboratório, temos vasta experiência no projeto e preparação de catalisadores potentes a partir de OMS e zeólitas. Trabalhamos para aprimorar o desempenho de zeólitas e OMS, criando sítios ativos potentes e sofisticados para transformações complexas. Esses catalisadores nos ajudam a transformar CO2 em substâncias úteis, como o metano, um combustível que pode abastecer residências e veículos [3]. Também exploramos a possibilidade de preparar outros produtos valiosos. Mas, nessa busca, devemos ter cuidado para que a conversão de CO2 não consuma muita energia ou matéria-prima, pois as reações podem produzir mais CO2 do que economizam! À medida que nosso trabalho avança, zeólitas e OMS potentes serão fundamentais na missão de reciclar o CO2 e transformá-lo em algo valioso.

Em conclusão, zeólitas e OMS são ferramentas poderosas que podem ser projetadas especificamente para nos ajudar a transformar o CO2, presente em resíduos, em produtos úteis e energia. Esses catalisadores estão nos ajudando a encontrar novas e promissoras maneiras de reduzir as emissões de CO2. No entanto, nenhuma solução isolada é suficiente. Precisamos unir esforços, como capturar, reutilizar e, principalmente, produzir menos CO2, para proteger nosso planeta e criar um futuro melhor!

Glossário

Balanço zero de emissões: Significa equilibrar uma balança. Se adicionarmos algo, precisamos subtrair a mesma quantidade para manter o valor, ou seja, o balanço é zero.

Descarbonização: Significa interromper o aumento da quantidade de carbono na atmosfera.

Sequestro: Significa capturar e armazenar carbono.

Catalisador: É uma substância especial que acelera as reações químicas sem ser consumida. Os catalisadores incentivam as moléculas a se unirem e formarem novos produtos, reduzindo o esforço necessário para a reação.

Sítios Ativos: São como pequenas estruturas onde o catalisador e as moléculas se encaixam perfeitamente. É nesse ponto que a reação ocorre e as moléculas são transformadas em algo novo.

Seletividade: Os catalisadores não apenas aceleram as reações, mas também as direcionam para obter os produtos desejados e evitar a produção de subprodutos indesejados. Essa propriedade é chamada de seletividade.

Zeólita: São minúsculos cristais chamados peneiras moleculares devido aos seus poros e canais de dimensões microporosas que atuam como uma peneira, selecionando quais moléculas capturar e reagir dependendo do seu tamanho.

Sílica Mesoporosa Ordenada: São minúsculos cristais chamados peneiras moleculares devido aos seus poros e canais de dimensões mesoporosas que atuam como uma peneira, selecionando quais moléculas capturar e reagir dependendo do seu tamanho.

Artigo Original

↑Velty, A., e Corma, A. 2023. Advanced zeolite and ordered mesoporous silica-based catalysts for the conversion of CO₂ to chemicals and fuels. Chem. Soc. Rev. 52:1773–946. doi: 10.1039/D2CS00456A

Referências

[1] Corma, A. 2016. Heterogeneous catalysis: understanding for designing, and designing for applications. Angewandte Chem. Int. 55:6112–6113. doi: 10.1002/anie.201601231

[2] Hutchings, G.J., e Haruta, M., 2005. A golden age of catalysis: a perspective. Appl. Catal. A Gen. 291:2–5. doi: 10.1016/J.APCATA.2005.05.044

[3] Velty, A., e Corma, A. 2023. Advanced zeolite and ordered mesoporous silica-based catalysts for the conversion of CO₂ to chemicals and fuels. Chem. Soc. Rev. 52:1773–946. doi: 10.1039/D2CS00456A

Citação

Velty A (2025) Turning CO2 Into Useful Products: The Role of Catalysts in Protecting Our Planet.. Front. Young Minds. 13:1557516. doi: 10.3389/frym.2025.1557516.

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