Esquema de un nuevo catalizador hecho de nanopartículas de cobre que convierte el dióxido de carbono en productos multicarbonados (etileno, etanol, y propanol). En la parte superior izquierda se encuentran imágenes de microscopio electrónico de transmisión de las nanopartículas de cobre. La transformación de las nanopartículas de esferas a estructuras en forma de cubo es clave para mantener baja la entrada de energía para las reacciones. Crédito:Dohyung Kim / Berkeley Lab
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han desarrollado un nuevo electrocatalizador que puede convertir directamente el dióxido de carbono en combustibles y alcoholes multicarbonos utilizando insumos de energía récord bajos. El trabajo es el último de una serie de estudios que salen de Berkeley Lab y que abordan el desafío de crear un sistema limpio de fabricación de productos químicos que pueda hacer un buen uso del dióxido de carbono.
En el nuevo estudio, publicado esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), un equipo dirigido por el científico de Berkeley Lab, Peidong Yang, descubrió que un electrocatalizador compuesto por nanopartículas de cobre proporcionaba las condiciones necesarias para descomponer el dióxido de carbono y formar etileno, etanol, y propanol.
Todos esos productos contienen de dos a tres átomos de carbono, y todos se consideran productos de alto valor en la vida moderna. El etileno es el ingrediente básico que se utiliza para fabricar películas y botellas de plástico, así como tuberías de cloruro de polivinilo (PVC). Etanol, comúnmente hecho a partir de biomasa, ya ha establecido su lugar como aditivo de biocombustible para gasolina. Si bien el propanol es un combustible muy eficaz, actualmente es demasiado costoso de fabricar para utilizarlo con ese fin.
Para medir la eficiencia energética del catalizador, Los científicos consideran el potencial termodinámico de los productos (la cantidad de energía que se puede obtener en una reacción electroquímica) y la cantidad de voltaje adicional necesario por encima de ese potencial termodinámico para impulsar la reacción a velocidades de reacción suficientes. Ese voltaje adicional se llama sobrepotencial; cuanto menor sea el sobrepotencial, cuanto más eficaz sea el catalizador.
"Ahora es bastante común en este campo fabricar catalizadores que puedan producir productos multicarbonos a partir de CO2, pero esos procesos normalmente operan a sobrepotenciales altos de 1 voltio para alcanzar cantidades apreciables, "dijo Yang, un científico de la facultad senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. "Lo que estamos informando aquí es mucho más desafiante. Descubrimos un catalizador para la reducción de dióxido de carbono que opera a alta densidad de corriente con un sobrepotencial bajo récord que es aproximadamente 300 milivoltios menos que los electrocatalizadores típicos".
Cobre en forma de cubo
Los investigadores caracterizaron el electrocatalizador en la Fundición Molecular de Berkeley Lab utilizando una combinación de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, microscopio de transmisión por electrones, y microscopía electrónica de barrido.
El catalizador constaba de esferas de cobre muy compactas, cada uno de unos 7 nanómetros de diámetro, capas sobre papel carbón en una forma densamente empaquetada. Los investigadores encontraron que durante el período muy temprano de electrólisis, grupos de nanopartículas fusionadas y transformadas en nanoestructuras en forma de cubo. Las formas en forma de cubo variaban en tamaño de 10 a 40 nanómetros.
"Es después de esta transición que se están produciendo las reacciones para formar productos multicarbonos, "dijo el autor principal del estudio, Dohyung Kim, estudiante de posgrado en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley. "Intentamos comenzar con cubos de cobre a nanoescala preformados, pero eso no produjo cantidades significativas de productos multicarbonos. Es este cambio estructural en tiempo real de las nanoesferas de cobre a las estructuras en forma de cubo lo que está facilitando la formación de hidrocarburos multicarbonados y oxigenados ".
Aún no está claro cómo está sucediendo exactamente, dijo Yang, quien también es profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley.
"Lo que sabemos es que esta estructura única proporciona un entorno químico beneficioso para la conversión de CO2 en productos multicarbonos, ", dijo." Las formas en forma de cubo y la interfaz asociada pueden proporcionar un lugar de encuentro ideal donde el dióxido de carbono, agua, y los electrones pueden unirse ".
Muchos caminos en el viaje de CO2 a combustible
Este último estudio ejemplifica cómo la reducción de dióxido de carbono se ha convertido en un área cada vez más activa en la investigación energética durante los últimos años. En lugar de aprovechar la energía del sol para convertir el dióxido de carbono en alimento vegetal, La fotosíntesis artificial busca utilizar los mismos ingredientes de partida para producir precursores químicos comúnmente utilizados en productos sintéticos, así como combustibles como el etanol.
Los investigadores de Berkeley Lab han asumido varios aspectos de este desafío, como controlar el producto que sale de las reacciones catalíticas. Por ejemplo, en 2016, Se desarrolló un sistema híbrido de bacterias y semiconductores para la producción de acetato a partir de CO2 y luz solar. A principios de este año, otro equipo de investigación utilizó un fotocatalizador para convertir el dióxido de carbono casi exclusivamente en monóxido de carbono. Más recientemente, se informó de un nuevo catalizador para la producción eficaz de mezclas de gases de síntesis, o gas de síntesis.
Los investigadores también han trabajado para aumentar la eficiencia energética de la reducción de dióxido de carbono para que los sistemas puedan ampliarse para uso industrial.
Un artículo reciente dirigido por investigadores de Berkeley Lab en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial aprovecha la ciencia fundamental para mostrar cómo la optimización de cada componente de un sistema completo puede lograr el objetivo de la producción de combustible con energía solar con tasas impresionantes de eficiencia energética.
Esta nueva PNAS El estudio se centra en la eficiencia del catalizador en lugar de en un sistema completo, pero los investigadores señalan que el catalizador se puede conectar a una variedad de fuentes de energía renovable, incluidas las células solares.
"Al utilizar valores ya establecidos para otros componentes, como celdas solares comerciales y electrolizadores, Proyectamos eficiencias energéticas de electricidad a producto y de energía solar a producto de hasta un 24,1 y un 4,3 por ciento para dos o tres productos de carbono, respectivamente, "dijo Kim.
Kim estima que si este catalizador se incorporara a un electrolizador como parte de un sistema de combustible solar, un material de solo 10 centímetros cuadrados podría producir alrededor de 1,3 gramos de etileno, 0,8 gramos de etanol, y 0,2 gramos de propanol al día.
"Con mejoras continuas en los componentes individuales de un sistema de combustible solar, esos números deberían seguir mejorando con el tiempo, " él dijo.
