Nanocompósitos de carbono impressos em 3D a partir de CO2: uma solução verde

Um estudo recente publicado em Comunicações da Natureza introduziu um novo método que combina a redução eletroquímica de dióxido de carbono (CO₂) com a produção de nanotubos de carbono (CNTs). Esses nanotubos são então usados ​​para criar nanocompósitos de carbono avançados impressos em 3D. A pesquisa destaca como esse processo pode ajudar a reduzir o CO₂ emissões ao mesmo tempo que produz materiais de alto desempenho com uma ampla gama de aplicações potenciais.

Crédito da imagem: petrmalinak/Shutterstock.com

Fundo

Os níveis crescentes de CO₂ provenientes de actividades industriais levantaram preocupações sobre as alterações climáticas e a sustentabilidade ambiental. Para resolver isso, novos métodos para utilizar CO₂ estão sendo explorados, especialmente na produção de materiais valiosos.

Os CNTs são conhecidos por suas fortes propriedades mecânicas, elétricas e térmicas, tornando-os úteis no aprimoramento de materiais compósitos. Os métodos tradicionais de produção de CNT envolvem frequentemente processos de alta energia que não são ecológicos.

Este estudo apresenta um método que utiliza CO₂ como matéria-prima, abordando tanto a produção sustentável de materiais como a redução de gases com efeito de estufa. Ao integrar a produção de CNT com a impressão 3D, é possível criar estruturas personalizadas para aplicações específicas. Esta pesquisa baseia-se em trabalhos anteriores que demonstram o potencial de produção de CNTs em escala, mantendo a estabilidade e a eficiência do processo.

O Estudo Atual

O processo começa com a redução eletroquímica do CO₂ ao monóxido de carbono (CO) em condições ambientais usando um eletrolisador especialmente projetado. O eletrolisador consiste em cátodos de prata (Ag) e ânodos de irídio (Ir), operando em bicarbonato de césio (CsHCO₃) solução eletrolítica.

Essa configuração facilita a geração de CO, que é então direcionado para um reator termoquímico. Neste reator, o CO sofre uma transformação, onde reage com um catalisador de lã de aço de baixo custo para produzir carbono sólido e CO adicional.₂. O CO₂ gerado nesta etapa pode ser recirculado de volta ao eletrolisador, criando um sistema de circuito fechado que aumenta a eficiência geral.

Após a produção do carbono sólido, a próxima fase envolve a preparação de um filamento nanocompósito de carbono. Um filamento nanocompósito CNT de alta densidade é criado pela dispersão de CO₂-derivados CNTs em uma matriz termoplástica de ácido polilático (PLA). Os CNTs são incorporados a uma concentração de aproximadamente 40% em peso, o que é essential para maximizar a utilização de CO₂.

O filamento é criado através de um processo de várias etapas. Primeiro, o PLA é dissolvido em diclorometano (DCM) e depois misturado ultrassonicamente com a solução CNT. Depois que a mistura estiver bem combinada, ela é seca para formar um filme. Este filme é então extrudado em um filamento contínuo, tornando-o pronto para impressão 3D.

O processo de impressão 3D utiliza uma técnica de modelagem por deposição fundida (FDM) para construir uma estrutura CNT pré-formada. Após a impressão, a estrutura é tratada termicamente para remover a matriz PLA, deixando para trás uma estrutura CNT estável que mantém sua forma e microestrutura. Este andaime é então infiltrado com uma resina termofixa através de uma técnica de moldagem por transferência de resina assistida por vácuo (VARTM). O produto closing é curado à temperatura ambiente durante a noite, resultando em um nanocompósito 3D CNT/epóxi durável.

Resultados e Discussão

Os resultados deste estudo demonstram a incorporação bem-sucedida de CO₂-derivados CNTs em um processo de impressão 3D, produzindo nanocompósitos de carbono de alta qualidade com propriedades mecânicas aprimoradas. As estruturas do CNT foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), que forneceram informações detalhadas sobre sua morfologia e dimensões. A análise revelou CNTs bem alinhados dentro das estruturas impressas, contribuindo para a resistência e desempenho do compósito.

A análise termogravimétrica (TGA) confirmou o alto teor de CNT no nanocompósito, determinando a proporção entre matriz e CNTs. Os testes mecânicos mostraram melhorias significativas na resistência à tração e na condutividade térmica em comparação com os compósitos tradicionais. A adição de CNTs melhorou a integridade estrutural e a condutividade elétrica dos materiais.

Uma análise técnico-económica também avaliou a viabilidade comercial do CO₂ processo de conversão e produção de CNT. Ao aumentar para uma escala de produção de 100 mg e alcançar mais de 200 horas de estabilidade do eletrolisador, a pesquisa destaca avanços na eficiência e sustentabilidade da fabricação de CNT. O CO de malha fechada₂ O sistema de utilização apoia ainda mais a viabilidade econômica, posicionando-o como uma opção promissora para aplicações industriais.

Conclusão

Esta pesquisa oferece uma solução prática para os desafios do CO₂ emissões e a necessidade de materiais avançados. Ao combinar a redução eletroquímica com a tecnologia de impressão 3D, o estudo produz com sucesso nanocompósitos de carbono de alto desempenho a partir de CO₂. O processo não só ajuda a reduzir os gases com efeito de estufa, mas também promove práticas de produção sustentáveis.

As descobertas destacam o potencial para maior desenvolvimento e comercialização desta tecnologia, apontando para um futuro mais sustentável na ciência e engenharia de materiais. Este trabalho ressalta o valor das abordagens interdisciplinares na abordagem dos desafios ambientais e, ao mesmo tempo, no avanço da inovação materials.

Referência do diário

Crandall BS, e outros. (2024). Transformando CO₂ em nanocompósitos de carbono avançados impressos em 3D. Comunicações da Natureza 15, 10568. DOI: 10.1038/s41467-024-54957-w, https://nature.com/articles/s41467-024-54957-w