Los científicos han desarrollado un material activado por luz que puede convertir químicamente el dióxido de carbono en monóxido de carbono sin generar subproductos no deseados. El logro marca un importante paso adelante en el desarrollo de tecnología que podría ayudar a generar combustible y otros productos ricos en energía utilizando un catalizador de energía solar al tiempo que mitiga los niveles de un potente gas de efecto invernadero.

Cuando se expone a la luz visible, el material, una estructura cristalina orgánica de níquel "esponjoso", convirtió el dióxido de carbono (CO2) en una cámara de reacción exclusivamente en gas monóxido de carbono (CO), que pueden convertirse en combustibles líquidos, solventes, y otros productos útiles.

Un equipo de investigación internacional dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) en Singapur publicó el trabajo el 28 de julio en la revista. Avances de la ciencia .

"Mostramos una selectividad cercana al 100 por ciento de la producción de CO, sin detección de productos de gas competidores como hidrógeno o metano, "dijo Haimei Zheng, científico de planta en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y coautor correspondiente del estudio. "Eso es muy importante. En la reducción de dióxido de carbono, quieres salir con un producto, no una mezcla de cosas diferentes ".

Deshacerse de la competencia

En Quimica, reducción se refiere a la ganancia de electrones en una reacción, mientras que la oxidación es cuando un átomo pierde electrones. Entre los ejemplos bien conocidos de reducción de dióxido de carbono se encuentra la fotosíntesis, cuando las plantas transfieren electrones del agua al dióxido de carbono mientras crean carbohidratos y oxígeno.

La reducción de dióxido de carbono necesita catalizadores para ayudar a romper los enlaces estables de la molécula. El interés en desarrollar catalizadores para la reducción de dióxido de carbono con energía solar para generar combustibles ha aumentado con el rápido consumo de combustibles fósiles durante el siglo pasado. y con el deseo de fuentes de energía renovables.

Los investigadores han estado particularmente interesados ​​en eliminar las reacciones químicas competitivas en la reducción del dióxido de carbono.

"Antes de nuestro trabajo no se había logrado la supresión completa del desprendimiento de hidrógeno en competencia durante una conversión fotocatalítica de CO2 a CO, "dijo Zheng.

En Berkeley Lab, Zheng y sus colegas desarrollaron un método químico láser innovador para crear un material compuesto orgánico metálico. Disolvieron precursores de níquel en una solución de trietilenglicol y expusieron la solución a un láser infrarrojo desenfocado. que desencadenó una reacción en cadena en la solución cuando el metal absorbió la luz. La reacción resultante formó compuestos organometálicos que luego se separaron de la solución.

"Cuando cambiamos la longitud de onda del láser, obtendríamos diferentes compuestos, "dijo el coautor principal del estudio, Kaiyang Niu, un científico de materiales en el laboratorio de Zheng. "Así es como determinamos que las reacciones se activaron con la luz en lugar de activarse con el calor".

Los investigadores caracterizaron la estructura del material en la Fundición Molecular, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab. El fotocatalizador orgánico de níquel tenía similitudes notables con las estructuras orgánicas metálicas, o MOF. Mientras que los MOF tienen una estructura cristalina regular con enlaces rígidos entre los componentes orgánicos e inorgánicos, este nuevo fotocatalizador incorpora una mezcla de enlazadores suaves de diferentes longitudes conectados con níquel, creando defectos en la arquitectura.

"Los defectos resultantes son intencionales, creando más poros y sitios donde pueden ocurrir reacciones catalíticas, ", dijo Niu." Este nuevo material es más activo y altamente selectivo en comparación con los MOF fabricados por calentamiento tradicional ".

Reducir CO2 a CO

Los científicos de NTU probaron el nuevo material en una cámara de gas llena de dióxido de carbono, medir los productos de reacción mediante cromatografía de gases y técnicas de espectrometría de masas a intervalos de tiempo regulares. Determinaron que en una hora a temperatura ambiente, 1 gramo del catalizador orgánico de níquel fue capaz de producir 16, 000 micromoles, o 400 mililitros, de monóxido de carbono. Es más, determinaron que el catalizador tenía un nivel prometedor de estabilidad que permitía su uso durante un tiempo prolongado.

La reducción de dióxido de carbono por catalizadores no es nueva, pero otros materiales suelen generar múltiples productos químicos en el proceso. La producción casi total de monóxido de carbono con este material representó un nuevo nivel de selectividad y control, enfatizaron los investigadores.

Los investigadores tienen algunas ideas sobre cómo se produce esta selectividad. Sugieren que la arquitectura de su fotocatalizador facilita que los aniones de dióxido de carbono se unan a los sitios de reacción. dejando poco espacio para que aterricen los radicales de hidrógeno. Esto limitaría las transferencias de protones necesarias para formar gas hidrógeno, dijeron los investigadores.

Los investigadores impulsaron aún más el fotocatalizador orgánico de níquel enriqueciéndolo con nanocristales de rodio o plata para crear ácidos fórmico y acético. respectivamente. Ácido fórmico, que se encuentra en el veneno de las hormigas y en las ortigas, y ácido acético, el componente principal del vinagre, Ambos se utilizan ampliamente en la industria. Más importante, los investigadores anotaron, las moléculas de estos productos se caracterizan por enlaces de dos carbonos, un paso hacia la generación de combustibles líquidos de mayor energía con más enlaces de carbono

"El mundo en este momento necesita formas innovadoras de crear alternativas a los combustibles fósiles, y frenar los niveles de CO2 excesivo en la atmósfera, ", dijo Zheng." Convertir CO2 en combustibles utilizando energía solar es un esfuerzo de investigación global. El fotocatalizador orgánico de níquel esponjoso que demostramos aquí es un paso crítico hacia la producción práctica de combustibles de carbono múltiple de alto valor utilizando energía solar ".