Mientras usa rayos X para estudiar las primeras etapas de un proceso químico que puede reformular el dióxido de carbono en compuestos más útiles, incluidos los combustibles líquidos, Los investigadores se sorprendieron cuando el experimento les enseñó algo nuevo sobre lo que impulsa esta reacción.

Una técnica de rayos X en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), junto con el trabajo teórico de un equipo del Instituto de Tecnología de California, Pasadena (Caltech), reveló cómo los átomos de oxígeno incrustados muy cerca de la superficie de una muestra de cobre tenían un efecto más dramático en las primeras etapas de la reacción con el dióxido de carbono de lo que podían explicar las teorías anteriores.

Esta información podría resultar útil para diseñar nuevos tipos de materiales para mejorar aún más las reacciones y hacerlas más eficientes en la conversión de dióxido de carbono en otros productos. Grandes concentraciones de dióxido de carbono son perjudiciales para la salud y el medio ambiente. por lo que los investigadores han estado buscando formas de eliminarlo de la atmósfera y almacenarlo de manera segura o convertirlo químicamente en formas más beneficiosas.

Para explicar lo que estaba en el trabajo el equipo de investigación desarrolló modelos informáticos, y revisó las teorías existentes para explicar lo que estaban presenciando en los experimentos. Sus resultados fueron publicados en línea el 12 de junio en la procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias diario.

El cobre es un catalizador común, un material que se utiliza para activar y acelerar las reacciones químicas, y aunque no es eficiente, Ayuda en la producción de etanol cuando se expone al dióxido de carbono y al agua. En la reacción estudiada, el cobre ayuda a descomponer químicamente y reensamblar las moléculas de dióxido de carbono y agua en otras moléculas.

"Encontramos más de lo que pensamos que íbamos a encontrar en esta investigación fundamental, "dijo Ethan Crumlin, un científico del Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab que codirigió el estudio con los investigadores del Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) Junko Yano, en Berkeley Lab, y William Goddard III, en Caltech.

El ALS es una instalación de investigación de rayos X conocida como sincrotrón que tiene docenas de líneas de rayos experimentales para explorar una amplia gama de propiedades microscópicas en la materia. y JCAP se centra en cómo convertir el dióxido de carbono, agua, y la luz solar en combustibles renovables.

"Tener átomos de oxígeno justo debajo de la superficie, una capa de subóxido, es un aspecto crítico para esto, ", Dijo Crumlin. El trabajo de rayos X trajo nueva claridad en la determinación de la cantidad correcta de este oxígeno subsuperficial y su papel en las interacciones con el gas dióxido de carbono y el agua para mejorar la reacción.

"Entendiendo esta capa de subóxido, y el subóxido en contacto con el agua, es integral en cómo el agua interactúa con el dióxido de carbono "en este tipo de reacción, añadió.

Goddard y sus colegas de Caltech trabajaron en estrecha colaboración con los investigadores de Berkeley Lab para desarrollar y refinar una teoría de la mecánica cuántica que se ajustara a las observaciones de rayos X y explicara la estructura electrónica de las moléculas en la reacción.

"Este fue un buen bucle, proceso iterativo, "Crumlin dijo." El simple hecho de tener curiosidad y no conformarse con una respuesta simple valió la pena. Todo comenzó a juntarse como una historia cohesiva ".

Goddard dijo:"Este ir y venir entre la teoría y el experimento es un aspecto emocionante de la investigación moderna y una parte importante de la estrategia de JCAP para producir combustibles a partir de dióxido de carbono". El equipo de Caltech usó computadoras para ayudar a comprender cómo los electrones y los átomos se reorganizan en la reacción.

En ALS de Berkeley Lab, Los investigadores utilizaron una técnica de rayos X conocida como APXPS (espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a presión ambiente cuando expusieron una delgada hoja de cobre especialmente tratado, conocida como Cu (111), a gas dióxido de carbono y agua añadida a temperatura ambiente.

En los experimentos siguientes, calentaron la muestra ligeramente en oxígeno para variar la concentración de oxígeno incrustado en la lámina. y usó rayos X para sondear las primeras etapas de cómo el dióxido de carbono y el agua reaccionan sinérgicamente con diferentes cantidades de óxido subsuperficial en la superficie del cobre.

Los estudios de rayos X, planeado y realizado por Marco Favaro, el autor principal del estudio, reveló cómo las moléculas de dióxido de carbono chocan con la superficie del cobre, luego pase el cursor sobre él en un estado débilmente enlazado. Las interacciones con las moléculas de agua sirven para doblar las moléculas de dióxido de carbono de una manera que les permite separar los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua. Este proceso eventualmente forma etanol, un tipo de combustible líquido.

"La modesta cantidad de oxígeno subsuperficial ayuda a generar una mezcla de cobre metálico y cargado que puede facilitar la interacción con el dióxido de carbono y promover más reacciones en presencia de agua, "Dijo Crumlin.

El cobre tiene algunas deficiencias como catalizador, Yano señaló, y actualmente es difícil controlar el producto final que generará un catalizador dado.

"Si sabemos lo que hace la superficie, y cuál es el modelo para esta interacción química, entonces hay una forma de imitar esto y mejorarlo, ", Dijo Yano. El trabajo en curso también puede ayudar a predecir la salida final de un catalizador dado en una reacción". Sabemos que el cobre funciona, ¿qué pasa con las diferentes superficies de cobre? Aleaciones de cobre, o diferentes tipos de metales y aleaciones? "