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Carbon dioxide is the gas with the largest impact on the greenhouse effect due to its large concentration in the atmosphere. Industrial Revolution, in the XVII century, triggered the growth of CO₂ concentration. Industrial and transport sectors are the ones with higher emissions rates. In March 2019 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) released that the annual growth of concentration of atmospheric CO₂, in 2018 was the 4^th higher.

Currently, a strong imbalance in the carbon cycle is notice due to the rate of emission in the atmosphere being greater than the rate of its absorption. There are two major effects of the carbon dioxide emissions, firstly, an increase in the concentration of CO₂ in the atmosphere which results in temperature rise, and secondly, an increase in the absorptions of CO₂ by oceans and plants which causes ocean acidification and carbon fertilization.

Kyoto’s protocol is a compromise between all the member-countries to reduce in 5.2% the greenhouse gas emissions between 2005 and 2020. Recently the Paris agreement aimed to reduce by 45% of the total greenhouse emissions by 2030, and 100% by 2055. However these reduction is not enough, so carbon dioxide capture (CC) technologies become the best solution to face the climate change.

CO₂ capture can be done naturally and artificially. Commercial available conventional CO₂ capture technologies usually need high energy consumption or suffer from decreased performance in the presence of impurities. Materials that enable selective CO₂ separation from gas mixtures, and can easily be regenerated are of the most importance.

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Illustration of the relationship between ILs and PILs. Image adapted from J. Yuan, D. Mecerreyes, M. Antonietti, Poly(ionic liquid)s: An Update, Progress in Polymer Science, 38 (2013), 1009-1036.

Ionic liquids (ILs) are liquids composed exclusively of ions with a melting point of less than 100 ºC. In the last decades, ILs have been the focus of many research areas, and are now in many applications. The separation of CO₂ from industrial flue gases with ILs is an emerging CC technology. The major advantage resides on their capability of being designed and optimized for a specific task: the tailor-made property. The possibility to manipulate cation and anion separately provides an easy way to customize ILs.

In previous studies, we discovered the molecular interactions that govern the CO₂ physical absorption in ILs/CO₂ mixtures. We also acquire a molecular insight into ILs and a better understanding of CO₂ solvation behavior on ILs. This accumulated experience motivated the development of higher performance ILs materials for CC. For the current project, we formed a multidisciplinary team that gathers expertise in ionic liquids, NMR spectroscopy, and polymers, we envision that it’s possible to design new materials with enhanced CO₂-philic features and provide experimental data for a full industrial scale integration of a PIL based technology.

The main goal is design task-specific multifunctional copolymer with polyionic liquids (green-PILs) that will be able to capture, activate and convert CO₂ into useful chemicals.

We believe that green-PILs have greater capability to CO₂ capture than ILs and that these new materials will be able to operate near atmospheric pressures. Green-PILs will also provide CO₂ activation for chemical transformation and provide experimental data for a full industrial scale integration of a PIL based technology.

O dióxido de carbono é o que gás com maior impacto no efeito de estufa, os sectores industrial e dos transportes são os que compreendem taxas de emissão mais elevadas. A concentração de dióxido de carbono na atmosfera despoletou com a Revolução Industrial, no século XVII, e até aos dias de hoje, o aumento da concentração deste gás a nível atmosférico tem sido exponencial. No final do ano 2018 o observatório atmosférico da NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), em Mauna Loa, registou o 4º maior crescimento anual da concentração de CO₂ atmosférico dos últimos 60 anos.

Atualmente o ciclo co carbono apresenta um forte desequilíbrio, uma vez que a taxa de emissão de CO₂ na atmosfera é superior à taxa de absorção. Os principais efeitos no aumento das emissões de CO₂ são o aumento da concentração de CO₂ a nível atmosférico, que resulta no aumento da temperatura, e o aumento da absorção do CO₂ pelos oceanos e as plantas, que tem como resultado a acidificação dos oceanos e a fertilização por carbono, respetivamente.

O protocolo de Kyoto, assinado em 1997, obriga os países-membros a reduzir as emissões de gases de efeito de estufa em, pelo menos, 5,2% em relação aos níveis de 1990, entre os anos de 2008 e 2020. Contudo, para além da diminuição da emissão de CO₂, as principais soluções face ás alterações climáticas são a captura e reutilização deste gás, uma vez que é considerada a maior fonte de carbono reutilizável.

A captura de CO₂ pode ser feita de forma natural ou artificial. As tecnologias de captura de CO₂ convencionais e comercialmente disponíveis, geralmente, requerem consumos elevados de energia ou apresentam um desempenho reduzido na presença de impurezas. O desenvolvimento de materiais, facilmente regenerados, que permitam a separação seletiva do CO₂ em misturas gasosas, é de extrema importância.

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Ilustração da relação entre os ILs e os PILs. Imagem adaptada de J. Yuan, D. Mecerreyes, M. Antonietti, Poly(ionic liquid)s: An Update, Progress in Polymer Science, 38 (2013), 1009-1036

Os líquidos iónicos (ILs) são líquidos compostos apenas por iões cujo ponto de fusão é inferior a 100ºC. Nos últimos anos, os ILs têm sido alvo de inúmeras investigações, em várias áreas da ciência, e atualmente compreendem um vasto número de aplicações. O uso dos ILs para a separação do CO₂ de misturas de gases de combustão representa uma tecnologia emergente de captura de CO₂. A possibilidade de manipular o catião e o anião sepraradamente confere a maior vantagem para a utilização de ILs uma vez que, desde modo, é possível projetar ILs de acordo com o objetivo estimado.

Em estudos anteriores a nossa equipa conseguiu provar as interações moleculares que governam a absorção física do CO₂ em misturas IL/CO₂, assim como compreendeu o comportamento de solvatação dos ILs, através de estudos de espectroscopia de RNM de alta pressão. Para o decorrente projeto reunimos uma equipa multidisciplinar com especialistas nas áreas dos ILs, dos polímeros, assim como, espectroscopia de RMN e pretendemos fazer uso de conhecimentos já adquiridos, com objetivo de otimizar os ILs através da sua polimerização, desenvolvendo assim um novo e promissor material para a captura de CO₂, uma vez que os polímeros de líquidos iónicos (PILs) reúnem as características únicas dos ILs e as estruturas macromoléculas dos polímeros.

Estamos a desenvolver copolímeros multifuncionais de líquidos iónicos (green-PILs), específicos para a captura do CO₂ assim como a sua conversão química para usos posteriores.

Acreditamos que a capacidade de captura de CO₂ pelos green-PILs seja superior às dos ILs e que os green-PILs serão capazes de capturar CO₂ a pressões próximas à pressão atmosférica, ativar o CO₂ para transformações químicas e fornecer dados experimentais a nível industrial.

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