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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10298 (2023) Citar este artigo

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Relatamos a co-eletrólise da água do mar e do gás dióxido de carbono (CO2) em um reator microfluídico sem membrana integrado a células solares para síntese contínua de produtos orgânicos. O reator microfluídico foi fabricado utilizando substrato de polidimetilsiloxano composto por um microcanal central com um par de entradas para injeção de gás CO2 e água do mar e uma saída para remoção de produtos orgânicos. Um par de eletrodos de cobre foi inserido no microcanal para garantir sua interação direta com o gás CO2 e a água do mar que entram no microcanal. O acoplamento de painéis de células solares com eletrodos gerou um campo elétrico de alta intensidade através dos eletrodos em baixa tensão, o que facilitou a co-eletrólise de CO2 e água do mar. A eletrólise emparelhada do gás CO2 e da água do mar produziu uma série de produtos orgânicos industrialmente importantes sob a influência do campo elétrico externo mediado por células solares. Os compostos orgânicos sintetizados foram coletados a jusante e identificados por meio de técnicas de caracterização. Além disso, os prováveis ​​mecanismos de reação eletroquímica subjacentes próximos aos eletrodos foram propostos para a síntese de produtos orgânicos. A inclusão do gás CO2 de efeito estufa como reagente, da água do mar como eletrólito e da energia solar como fonte elétrica barata para o início da co-eletrólise torna o microrreator uma alternativa sustentável e de baixo custo para o sequestro de CO2 e a síntese de compostos orgânicos.

O microrreator consiste em microcanais de fluxo contínuo com diâmetro típico inferior a 1 mm e volumes de reação variando de nanolitros a microlitros . Na última década, os microrreatores revolucionaram as indústrias farmacêuticas4,5,6, o diagnóstico no local de atendimento7, a energia limpa8,9 e a síntese química de alto rendimento10,11,12. Comparada aos processos em lote, a tecnologia de microrreatores permite a síntese contínua de produtos comerciais com tempos de reação reduzidos, melhor rendimento, melhor seletividade, maior eficiência, maior lucratividade, controle preciso de reação, redução de desperdício e manuseio seguro de reações perigosas13,14. Microrreatores podem ser substancialmente utilizados para utilização e sequestro de gás CO2, a fim de sintetizar compostos orgânicos .

Os elevados níveis de emissões de CO2 provenientes de atividades industriais, dos gases de escape dos automóveis ou da combustão de combustíveis fósseis desencadearam alterações climáticas indesejadas, aquecimento global e graves tensões ambientais em todo o mundo18. Como resultado, são necessárias soluções inovadoras para reduzir as emissões de CO2 e converter o gás CO2 em produtos comerciais19. Na prática, a captura, extração, purificação e conversão de CO2 por processos químicos ou eletroquímicos são atualmente dificultadas pelos seus elevados custos e necessidades energéticas20. A abordagem mais promissora para o sequestro de CO2 é converter o gás CO2 puro em produtos como álcool, ácido carboxílico, aldeído, éster, cetona, parafina ou solvente para uso industrial21,22. Estudos anteriores mostraram que os reatores descontínuos macroscópicos podem ser empregados para redução eletroquímica do CO atmosférico em metanol . No passado recente, além do processamento de óleo, diesel ou outras misturas de hidrocarbonetos líquidos, o CO2 dos gases de combustão foi submetido a redução eletroquímica para produzir uma variedade de produtos orgânicos de valor agregado, como ácido fórmico (HCOOH), formaldeído (HCHO ) e metanol (CH3OH)26,27,28,29. Além disso, os sistemas de reação reversa de mudança de água-gás assistidos por catalisador também foram desenvolvidos para conversão de CO2 atmosférico em combustíveis de hidrocarbonetos na presença de água do mar30. Estudos recentes demonstraram que uma célula eletroquímica pode produzir ácido carboxílico, glicol e compostos de carboxilato eletrolisando simultaneamente H2O em um compartimento enquanto reduz CO2 em outro compartimento31,32,33,34,35. Foi demonstrado que a co-eletrólise de CO2 e H2O com fontes alternativas de energia, como a irradiação eólica e solar, pode ser usada para produzir combustíveis de hidrocarbonetos e produtos químicos industriais36,37,38. Relatos da literatura mostraram que os reatores de microcanais podem reduzir o CO sob condições galvânicas por redução eletroquímica catalítica . Uma conversão eficiente do gás CO2 com efeito de estufa em hidrocarbonetos de valor acrescentado seria viável com o desenvolvimento de um sistema de microrreactores alimentado por energia solar, sem catalisadores.