Los científicos de Brookhaven se muestran en la línea de luz 8-ID de NSLS-II, donde utilizaron rayos X ultrabrillantes para "ver" la complejidad química de un nuevo material catalítico. En la fotografía de izquierda a derecha están Klaus Attenkofer, Dong Su, Sooyeon Hwang, y Eli Stavitski. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Imagínese si el dióxido de carbono (CO 2 ) podría convertirse fácilmente en energía utilizable. Cada vez que respira o conduce un vehículo motorizado, produciría un ingrediente clave para generar combustibles. Como la fotosíntesis en las plantas, podríamos convertir CO 2 en moléculas que son esenciales para la vida diaria. Ahora, los científicos están un paso más cerca.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) son parte de una colaboración científica que ha identificado un nuevo electrocatalizador que convierte de manera eficiente el CO 2 al monóxido de carbono (CO), una molécula muy energética. Sus hallazgos fueron publicados el 1 de febrero en Ciencias de la energía y el medio ambiente .
"Hay muchas formas de utilizar el CO, "dijo Eli Stavitski, científico de Brookhaven y autor del artículo. "Puede reaccionar con agua para producir gas hidrógeno rico en energía, o con hidrógeno para producir productos químicos útiles, como hidrocarburos o alcoholes. Si hubiera un ruta rentable para transformar el CO 2 para co, beneficiaría enormemente a la sociedad ".
Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de convertir el CO 2 para co, pero los electrocatalizadores tradicionales no pueden iniciar eficazmente la reacción. Eso es porque una reacción competitiva, llamada reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) o "división del agua, "tiene prioridad sobre el CO 2 reacción de conversión.
Algunos metales nobles, como el oro y el platino, puede evitar ELLA y convertir CO 2 para co; sin embargo, estos metales son relativamente raros y demasiado caros para servir como catalizadores rentables. Entonces, convertir CO 2 al CO de forma rentable, los científicos utilizaron una forma completamente nueva de catalizador. En lugar de nanopartículas de metales nobles, utilizaron átomos individuales de níquel.
"Metal de níquel, al por mayor, rara vez ha sido seleccionado como un candidato prometedor para convertir CO 2 para co, "dijo Haotian Wang, un Rowland Fellow de la Universidad de Harvard y el autor correspondiente del artículo. "Una de las razones es que ELLA funciona muy bien, y baja el CO 2 Reducir la selectividad de forma espectacular. Otra razón es que su superficie se puede envenenar fácilmente con moléculas de CO, si se produce alguna ".
Átomos individuales de níquel, sin embargo, producir un resultado diferente.
"Los átomos individuales prefieren producir CO, en lugar de realizar la competencia ELLA, debido a que la superficie de un metal a granel es muy diferente a la de los átomos individuales, "Dijo Stavitski.
Klaus Attenkofer, también científico de Brookhaven y coautor del artículo, adicional, "La superficie de un metal tiene un potencial energético:es uniforme. Mientras que en un solo átomo, cada lugar de la superficie tiene un tipo de energía diferente ".
Además de las propiedades energéticas únicas de los átomos individuales, El co 2 La reacción de conversación se vio facilitada por la interacción de los átomos de níquel con una hoja circundante de grafeno. Anclar los átomos al grafeno permitió a los científicos sintonizar el catalizador y suprimir ELLA.
Para ver más de cerca los átomos de níquel individuales dentro de la hoja de grafeno atómicamente delgada, los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Al escanear una sonda de electrones sobre la muestra, los científicos pudieron visualizar átomos de níquel discretos en el grafeno.
"Nuestro microscopio electrónico de transmisión de última generación es una herramienta única para ver características extremadamente pequeñas, como átomos individuales, "dijo Sooyeon Hwang, científico de CFN y coautor del artículo.
"Los átomos individuales suelen ser inestables y tienden a agregarse en el soporte, "agregó Dong Su, también científico de CFN y coautor del artículo. "Sin embargo, encontramos que los átomos de níquel individuales estaban distribuidos uniformemente, lo que explica el excelente rendimiento de la reacción de conversión ".
Para analizar la complejidad química del material, los científicos utilizaron la línea de luz 8-ID en el National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven Lab. La luz de rayos X ultrabrillante en NSLS-II permitió a los científicos "ver" una vista detallada de la estructura interna del material.
"Fotones, o partículas de luz, interactuar con los electrones en los átomos de níquel para hacer dos cosas, ", Dijo Stavitski." Envían los electrones a estados de mayor energía y, mapeando esos estados de energía, podemos comprender la configuración electrónica y el estado químico del material. A medida que aumentamos la energía de los fotones, sacan los electrones de los átomos e interactúan con los elementos vecinos ". En esencia, esto proporcionó a los científicos una imagen de la estructura local de los átomos de níquel.
Según los resultados de los estudios de Harvard, NSLS-II, CFN, e instituciones adicionales, los científicos descubrieron que átomos de níquel individuales catalizaban el CO 2 reacción de conversión con una eficacia máxima del 97 por ciento. Los científicos dicen que este es un gran paso hacia el reciclaje de CO 2 para energía utilizable y productos químicos.
"Para aplicar esta tecnología a aplicaciones reales en el futuro, Actualmente estamos destinados a producir este catalizador de un solo átomo de una manera barata y a gran escala, mientras mejora su rendimiento y mantiene su eficiencia, "dijo Wang.
