Un artículo reciente en la revista de química sostenible. ChemSusChem investigadores de la Universidad de Pittsburgh revelaron que están "dopando" nanopartículas para mejorar su capacidad de capturar dióxido de carbono y proporcionar una fuente de carbono en bruto para procesos industriales. No confundir con su uso negativo en atletismo, "dopaje" en la ingeniería química se refiere a agregar una sustancia a otro material para mejorar su desempeño.

Junto con las temperaturas globales, investigación sobre la captura de dióxido de carbono (CO ₂ ) Esta en lo alto. La cantidad de CO ₂ en la atmósfera ha alcanzado un máximo histórico de 408 partes por millón, según las últimas mediciones de la NASA. Estudios anteriores han demostrado la conexión entre gases de efecto invernadero como el CO ₂ y la tendencia al calentamiento, que comenzó a principios del siglo XX.

"Muchos de nuestros procesos industriales contribuyen a la alarmante cantidad de CO ₂ en la atmósfera, por lo que necesitamos desarrollar nuevas tecnologías para intervenir, "dice Giannis Mpourmpakis, profesor asistente de ingeniería química y petrolera en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt. "Capturando CO ₂ de la atmósfera y convertirlo en productos químicos útiles puede ser beneficioso tanto para el medio ambiente como para la industria ".

El Dr. Mpourmpakis fue coautor del estudio titulado "Diseño de nanopartículas bimetálicas a base de cobre para la adsorción y activación de dióxido de carbono" en ChemSusChem , con otros investigadores del Departamento de Ingeniería Química y del Petróleo de Pitt, incluido el profesor Götz Vese y tres Ph.D. estudiantes:James Dean, Natalie Austin, y Yahui Yang. Una representación artística de los nanomateriales de cobre dopados con circonio apareció en una de las portadas de la revista para el Volumen 11, Número 7 en abril de 2018.

A través de una serie de simulaciones por computadora y experimentos de laboratorio, los investigadores diseñaron y desarrollaron un catalizador estable para la captura y activación de CO ₂ dopando nanopartículas de cobre con circonio. Los investigadores creen que las nanopartículas tienen un gran potencial para reducir la huella de carbono de ciertos procesos, como la quema de combustibles fósiles. Sin embargo, CO ₂ las moléculas son bastante reacias a cambiar.

"CO ₂ es una molécula muy estable que necesita ser 'activada' para convertirla. Esta activación ocurre al enlazar CO ₂ a los sitios del catalizador que hacen que el enlace carbono-oxígeno sea menos estable. Nuestros experimentos confirmaron los cálculos de química computacional en el grupo de Mpourmpakis de que el dopado de cobre con circonio crea un buen candidato para debilitar el CO ₂ cautiverio, "explica el Dr. Veser.

El grupo de Mpourmpakis utilizó la química computacional para simular cientos de experimentos potenciales mucho más rápido y menos costoso que los métodos de laboratorio tradicionales e identificó el dopante candidato más prometedor que luego fue verificado experimentalmente.

Las nanopartículas de cobre son adecuadas para la conversión de CO ₂ a productos químicos útiles porque son baratos, y son excelentes catalizadores de hidrogenación. Mediante hidrogenación, CO ₂ se puede convertir en productos químicos de mayor valor como el metanol (CH ₃ OH) o metano (CH ₄ ). Desafortunadamente, convertir CO ₂ también requiere su activación que el cobre no puede entregar. El circonio se lleva bien con el cobre y activa naturalmente el CO ₂ .

"Para tener un dopante eficaz, necesita tener sitios en la superficie del catalizador que pasen electrones al CO ₂ , "dice el Dr. Mpourmpakis." El dopante cambia las características electrónicas de los materiales, y encontramos que el circonio es particularmente efectivo para activar el CO ₂ . "

Los investigadores de Pitt probaron una serie de configuraciones de nanopartículas diferentes y encontraron que las nanopartículas de cobre dopadas con circonio eran catalizadores particularmente prometedores para la hidrogenación de CO. ₂ y ya han comenzado a probar su eficacia.