Todos os dias, milhões de garrafas plásticas vão para o lixo depois de um único uso. Para a maioria das pessoas, elas deixam de ter utilidade e acabam, no máximo, em programas de reciclagem - ou diretamente em aterros.
Ao mesmo tempo, a procura por baterias só aumenta, impulsionada pela popularização de veículos elétricos, smartphones, notebooks e sistemas de armazenamento para energias renováveis.
À primeira vista, esses dois cenários não têm relação: de um lado, o avanço de um problema de resíduos; de outro, a corrida por materiais considerados estratégicos.
Um estudo recente da Universidade Estadual da Pensilvânia (Penn State) indica, porém, que um desafio pode ajudar a resolver o outro.
Os pesquisadores conseguiram converter garrafas plásticas PET descartadas em grafite sintético de alta qualidade - e, em testes, esse material superou o grafite natural que equipa a maior parte das baterias de íons de lítio.
Se a técnica for levada a uma escala industrial, garrafas plásticas usadas podem se transformar em parte do “combustível” material das baterias do futuro.
Dois problemas que se encontram
A produção mundial de plástico gira em torno de 300 milhões de toneladas por ano, e cerca de metade desse volume é destinado a itens de uso único.
O PET está no centro desse fluxo, presente em garrafas de bebidas e embalagens de alimentos por toda parte.
Ainda assim, apenas uma fração pequena é reciclada de forma adequada. O restante costuma ser incinerado, reciclado em produtos de menor valor ou simplesmente permanecer em aterros.
Em paralelo, a necessidade de grafite cresce em ritmo acelerado. O Departamento de Energia dos EUA (DOE) o classifica como mineral crítico, e ele compõe o ânodo de praticamente toda bateria de íons de lítio.
Veículos elétricos podem exigir até 70 quilogramas (150 libras) de grafite por carro. Projeções apontam que a demanda por grafite de grau bateria pode quadruplicar até 2030.
Por que garrafas plásticas dificultam a grafitização
Converter PET em um grafite “bom” é bem mais complexo do que parece. Em massa, o polímero contém cerca de 33% de oxigênio - e esse oxigênio cria problemas sérios durante o aquecimento.
Quando o PET se decompõe, o oxigênio favorece a formação de ligações cruzadas intensas entre fragmentos de carbono. Em vez de camadas organizadas de grafite, o resultado tende a ficar “travado” em um carvão turbostrático desordenado.
Nem mesmo temperaturas muito altas, acima de 1800 °C (cerca de 3.270 °F), conseguem corrigir isso.
Por décadas, a solução mais comum foi recorrer a catalisadores metálicos, como ferro, níquel ou cobalto.
Esses metais aceleram a transformação, mas deixam impurezas. Remover esses resíduos exige etapas químicas adicionais - algo especialmente crítico quando se busca material de grau bateria, no qual a pureza é determinante.
Uma solução com óxido de grafeno
A equipe da Penn State seguiu por outro caminho e dispensou totalmente catalisadores metálicos. Eles misturaram PET triturado com uma quantidade mínima de óxido de grafeno e, depois, submeteram a mistura a um tratamento térmico cuidadosamente controlado.
O óxido de grafeno é uma folha de carbono de uma única camada, marcada por grupos de oxigênio. Essas folhas funcionam como “moldes”, induzindo átomos de carbono soltos a se organizarem em empilhamentos ordenados enquanto o plástico carboniza.
“Most people think of a plastic bottle as waste once they’re done using it”, disse Shakshi Sekar, autora principal do estudo.
“Nossos resultados mostram que o mesmo material pode virar um recurso valioso para produzir grafite, essencial para tecnologias modernas de baterias”, afirmou Sekar.
O grafite de plástico supera o natural
O melhor desempenho apareceu em uma faixa estreita de formulação. Com apenas 2,5% de óxido de grafeno em massa, e com baixo teor de oxigênio, foi obtido o grafite mais bem formado de toda a série.
Nessas condições, os cristalitos cresceram de forma expressiva e com bom alinhamento. A largura cristalina chegou a aproximadamente 114 nanômetros, e a altura de empilhamento ficou por volta de 27 nanômetros.
Ambos os valores ficam acima dos do grafite natural, que se situa em torno de 100 e 24,6 nanômetros. Em comparação com o carvão obtido apenas do PET, a largura aumentou cerca de 228% e a altura, aproximadamente 200%.
“Não estamos apenas encontrando um uso para o plástico descartado”, disse Sekar.
“Estamos criando um material valioso que pode ajudar a sustentar a demanda crescente por baterias e tecnologias de energia limpa”, disse Sekar.
Como funciona o efeito de molde
Grande parte do efeito vem do oxigênio presente no óxido de grafeno - mas a posição desses grupos é decisiva. Grupos de oxigênio localizados nas bordas da folha iniciam o crescimento lateral dos cristais, ampliando cada domínio de grafite.
Já o oxigênio sobre o plano basal plano estimula ligações cruzadas que ajudam as camadas em formação a se alinharem de maneira coerente. Essa mesma superfície plana sp² também atrai carbono para empilhamentos paralelos por meio de interações pi–pi.
No caso do grafeno “puro”, sem oxigênio, o mecanismo duplo muda um pouco. As bordas reativas atuam como pontos de partida para o crescimento lateral, enquanto a superfície limpa orienta o empilhamento vertical.
Grafite mais limpo a partir de plástico, sem metais
Para a indústria, a ausência de metais pode ser o aspecto mais relevante. Sem catalisador, não há ferro ou níquel residual para remover depois.
“Ao evitar catalisadores metálicos, conseguimos produzir grafite mais limpo e, ao mesmo tempo, reduzir o uso de químicos e a geração de resíduos”, disse Sekar.
Essa simplificação tem potencial para diminuir tanto o custo quanto a pegada ambiental na produção de materiais para baterias.
Pelos métodos convencionais, fabricar 1 tonelada de grafite de grau bateria consome cerca de 11.000 megajoules de energia e emite aproximadamente 5 toneladas de dióxido de carbono.
Dois tipos de carbono úteis ao mesmo tempo
O método ainda traz um segundo benefício importante. Conforme o aditivo usado e a dosagem, a mesma rota pode gerar tanto carbono grafítico quanto carbono duro.
O carbono grafítico é adequado para ânodos de baterias de íons de lítio, que são a base de celulares e carros elétricos. Já o carbono duro, não grafítico, é valorizado em baterias de íons de sódio voltadas a armazenamento de rede mais barato.
Assim, um único fluxo de resíduos pode abastecer duas frentes distintas de armazenamento de energia - uma flexibilidade que torna a proposta mais atrativa em um mercado com demandas variadas.
Repensando o que chamamos de lixo
Ainda existe uma distância considerável entre o laboratório e uma linha de produção. O grupo precisa avaliar a fabricação em grande escala e verificar como o material se comporta dentro de baterias reais.
Mesmo assim, a implicação é clara - e um tanto inesperada. Um material geralmente tratado como descarte passou a se comportar como matéria-prima para tecnologia avançada.
“Se o plástico descartado pode virar matéria-prima para materiais avançados de energia, isso muda a forma como pensamos a reciclagem”, disse Sekar.
“Em vez de ver o plástico como um problema de descarte, podemos enxergá-lo como um recurso que ajuda a sustentar tecnologias de energia limpa.”
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