Los átomos de la superficie del cobre (751) están relativamente separados en comparación con otros cristales de cobre. Eso podría explicar por qué el cobre (751) es mucho más selectivo para producir etanol cuando se expone al dióxido de carbono. Crédito:Christopher Hahn / SLAC National Accelerator Laboratory
La mayoría de los automóviles y camiones en los Estados Unidos funcionan con una mezcla de 90 por ciento de gasolina y 10 por ciento de etanol. un combustible renovable elaborado principalmente a partir de maíz fermentado. Pero para producir los 14 mil millones de galones de etanol que consumen anualmente los conductores estadounidenses se requieren millones de acres de tierras agrícolas.
Un descubrimiento reciente de los científicos de la Universidad de Stanford podría conducir a una nueva, forma más sostenible de producir etanol sin maíz u otros cultivos. Esta prometedora tecnología tiene tres componentes básicos:agua, dióxido de carbono y electricidad entregados a través de un catalizador de cobre. Los resultados se publican en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).
"Uno de nuestros objetivos a largo plazo es producir etanol renovable de una manera que no afecte el suministro mundial de alimentos, "dijo el investigador principal del estudio, Thomas Jaramillo, profesor asociado de ingeniería química en Stanford y de ciencia de fotones en el SLAC National Accelerator Laboratory.
A los científicos les gustaría diseñar catalizadores de cobre que conviertan selectivamente el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles de mayor valor. como el etanol y el propanol, con pocos o ningún subproducto. Pero primero necesitan una comprensión clara de cómo funcionan realmente estos catalizadores. Ahí es donde entran los hallazgos recientes.
Cristales de cobre
Para el PNAS estudio, el equipo de Stanford eligió tres muestras de cobre cristalino, conocido como cobre (100), cobre (111) y cobre (751). Los científicos usan estos números para describir las geometrías de la superficie de los monocristales.
"Cobre (100), (111) y (751) parecen virtualmente idénticos pero tienen grandes diferencias en la forma en que sus átomos están dispuestos en la superficie. "dijo Christopher Hahn, científico asociado del SLAC y coautor principal del estudio. "La esencia de nuestro trabajo es comprender cómo estas diferentes facetas del cobre afectan el rendimiento electrocatalítico".
El profesor asociado Thomas Jaramillo (izquierda) y el científico de SLAC Christopher Hahn han demostrado la viabilidad de diseñar catalizadores de cobre que conviertan el dióxido de carbono en etanol sin maíz u otros cultivos. Crédito:Mark Shwartz / Universidad de Stanford
En estudios anteriores, Los científicos habían creado electrodos de cobre monocristalinos de solo 1 milímetro cuadrado de tamaño.
"Con un cristal tan pequeño, es difícil identificar y cuantificar las moléculas que se producen en la superficie, "Hahn explicó." Esto conduce a dificultades en la comprensión de las reacciones químicas, por lo que nuestro objetivo era fabricar electrodos de cobre más grandes con la calidad superficial de un solo cristal ".
Para crear muestras más grandes, Hahn y sus compañeros de trabajo en SLAC desarrollaron una nueva forma de cultivar cobre monocristalino sobre grandes obleas de silicio y zafiro.
"Lo que hizo Chris fue asombroso, "Dijo Jaramillo." Hizo películas de cobre (100), (111) y (751) con superficies de 6 centímetros cuadrados. Eso es 600 veces más grande que los monocristales típicos.
Rendimiento catalítico
Para comparar el rendimiento electrocatalítico, los investigadores colocaron los tres electrodos grandes en agua, los expuso al gas de dióxido de carbono y aplicó un potencial para generar una corriente eléctrica.
Los resultados fueron claros. Cuando se aplicó un voltaje específico, los electrodos hechos de cobre (751) eran mucho más selectivos para los productos líquidos, como etanol y propanol, que los de cobre (100) o (111). La explicación puede residir en las diferentes formas en que los átomos de cobre se alinean en las tres superficies.
Los científicos de Stanford han diseñado un catalizador de cobre que produce etanol a partir de dióxido de carbono y agua. Crédito:Mark Shwartz / Universidad de Stanford
"En cobre (100) y (111), los átomos de la superficie están muy juntos, como una cuadrícula y un panal, respectivamente ", dijo Hahn." Como resultado, cada átomo está unido a muchos otros átomos a su alrededor, y eso tiende a hacer que la superficie sea más inerte ".
Pero en cobre (751), los átomos de la superficie están más separados.
"Un átomo de cobre (751) solo tiene dos vecinos más cercanos, "Hahn dijo." Pero un átomo que no está unido a otros átomos es bastante infeliz, y eso hace que quiera unirse más fuerte a los reactivos entrantes como el dióxido de carbono. Creemos que este es uno de los factores clave que conducen a una mejor selectividad hacia productos de mayor valor. como el etanol y el propanol ".
Por último, al equipo de Stanford le gustaría desarrollar una tecnología capaz de producir de forma selectiva combustibles y productos químicos neutros en carbono a escala industrial.
"El objetivo del premio es crear mejores catalizadores que tengan un potencial revolucionario al tomar dióxido de carbono como materia prima y convertirlo en productos mucho más valiosos utilizando electricidad renovable o luz solar directamente". ", Dijo Jaramillo." Planeamos usar este método en níquel y otros metales para comprender mejor la química en la superficie. Creemos que este estudio es una pieza importante del rompecabezas y abrirá nuevas vías de investigación para la comunidad ".
Jaramillo también se desempeña como subdirector del Centro SUNCAT para la ciencia de la interfaz y la catálisis, una asociación de la Escuela de Ingeniería de Stanford y SLAC.
El estudio también fue escrito por el coautor principal Toru Hatsukade, Drew Higgins y Stephanie Nitopi en Stanford; Youn-Geun Kim de SLAC; y Jack Baricuatro y Manuel Soriaga en el Instituto de Tecnología de California.
