Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial han determinado cómo los electrocatalizadores pueden convertir el dióxido de carbono en monóxido de carbono utilizando agua y electricidad. El descubrimiento puede conducir al desarrollo de electrocatalizadores eficientes para la producción a gran escala de gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno.

"La reducción electroquímica de dióxido de carbono a combustibles es un tema de considerable interés porque ofrece un medio para almacenar electricidad de fuentes de energía como el viento y la radiación solar en forma de enlaces químicos, "dijo Meenesh Singh, profesor asistente de ingeniería química y autor principal del estudio publicado en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Durante su investigación postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley, Singh estudió la fotosíntesis artificial y formó parte de un equipo que desarrolló hojas artificiales que, cuando se expone a la luz solar directa, eran capaces de convertir dióxido de carbono en combustibles.

En su última investigación, Singh desarrolló un modelo multiescala de última generación que une un análisis químico-cuántico de la vía de reacción; un modelo microcinético de la dinámica de reacción; y un modelo continuo para el transporte de especies en el electrolito para aprender con precisión cómo se puede reducir electroquímicamente el dióxido de carbono a través de un catalizador, en este caso plata, y convertido en monóxido de carbono.

Si bien la vía de reacción más plausible generalmente se identifica a partir del cálculo químico-cuántico de la vía de energía libre más baja, este enfoque puede ser engañoso cuando las coberturas de especies adsorbidas difieren significativamente, Dijo Singh. Es esencial, por lo tanto, Integrar los efectos de los estados electrónicos de un catalizador a nivel atómico con la dinámica de las especies en el electrolito a nivel continuo para una predicción precisa de las vías de reacción electrocatalíticas.

"Este modelo multiescala es uno de los mayores logros de la electroquímica, " él dijo.

Para comprender cómo funcionan los electrocatalizadores en pilas de combustible o pilas electroquímicas, Los científicos necesitan primero sondear los niveles electrónicos y cuánticos, que puede ser extremadamente desafiante en presencia de un campo eléctrico, dijo Jason Goodpaster, profesor asistente de química en la Universidad de Minnesota y uno de los coautores. Singh y Goodpaster tardaron más de un año en producir y comparar los modelos individualmente e integrarlos en un marco multiescala para la simulación a gran escala de la reacción electroquímica.

Esta es la primera vez, Singh dijo:que los científicos han predicho cuantitativamente a partir de los primeros principios, la densidad de corriente de monóxido de carbono e hidrógeno en función del potencial aplicado y la presión del dióxido de carbono.

"Una vez que reconozca cómo se producen estas reacciones en los electrocatalizadores, puede controlar la estructura de los catalizadores y las condiciones de funcionamiento para producir monóxido de carbono de manera eficiente, ", Dijo Singh. Dado que son gases producto (el monóxido de carbono y el hidrógeno son insolubles en electrolitos acuosos), pueden separarse fácilmente como gas de síntesis y convertirse en combustibles como el metanol, dimetil éter, o una mezcla de hidrocarburos.

Electrocatalizadores como el oro, plata, zinc, Se sabe que el paladio y el galio producen mezclas de dióxido de carbono e hidrógeno en diversas proporciones dependiendo del voltaje aplicado. Dijo Singh. El oro y la plata exhiben la mayor actividad hacia la reducción de dióxido de carbono, y como la plata es más abundante y menos cara que el oro, "la plata es el electrocatalizador más prometedor para la producción a gran escala de monóxido de carbono, " él dijo.