Los científicos están un paso más cerca de construir un sistema de reciclaje de carbono que pueda recolectar energía solar para convertir de manera eficiente el CO2 y el agua en combustibles líquidos. Optimizando muchas partes del sistema, los investigadores dicen, ahora pueden impulsar reacciones químicas de dos electrones, un avance sustancial sobre las reacciones de un electrón, que son energéticamente ineficientes.

La investigación, reportado en la revista Química de la naturaleza , ayudará a aquellos que esperan encontrar una manera de convertir el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera en fuentes de energía útiles, dijo el profesor de química de la Universidad de Illinois, Prashant Jain, quien dirigió la nueva investigación.

"Los científicos a menudo buscan en las plantas información sobre los métodos para convertir la luz solar, dióxido de carbono y agua en combustibles, " él dijo.

Cuando la energía solar golpea las hojas de las plantas, excita los electrones de la clorofila. Esos electrones excitados finalmente impulsan la química que transforma el dióxido de carbono y el agua en glucosa.

"Muchas de estas reacciones químicas son multiprotón, reacciones de varios electrones, "Dijo Jain.

Pero en lugar de depender de pigmentos vegetales biodegradables para convertir la energía luminosa en energía química, Los científicos están recurriendo a algo mejor:catalizadores de metales ricos en electrones como el oro, que a intensidades de luz y longitudes de onda específicas pueden transferir electrones y protones fotoexcitados a reactivos sin degradarse ni agotarse.

"En nuestro estudio, utilizamos partículas de oro esféricas que tienen un tamaño de 13 a 14 nanómetros, "Dijo Jain." Las nanopartículas tienen propiedades ópticas únicas, dependiendo de su tamaño y forma ".

Cuando se recubre con un polímero y se suspende en agua, por ejemplo, las nanopartículas absorben la luz verde y reflejan un color rojo intenso. Bajo excitación ligera, las nanopartículas transfieren electrones a moléculas sonda, que luego cambian de color. Esto permite a los científicos medir la eficacia de las reacciones de transferencia de electrones.

"Los investigadores han logrado en el pasado utilizar la fotoquímica y estos materiales que absorben la luz para transferir un electrón a la vez, ", Dijo Jain." Pero en el nuevo estudio, hemos identificado los principios, reglas y condiciones bajo las cuales un catalizador de nanopartículas metálicas puede transferir dos electrones a la vez ".

Variando la intensidad de la luz láser utilizada en los experimentos, Jain y sus colegas descubrieron que a cuatro o cinco veces la intensidad de la energía solar, las nanopartículas de oro en el sistema podrían transferir hasta dos electrones a la vez desde el etanol a una sonda hambrienta de electrones.

Las reacciones de dos electrones son mucho más preferibles a las reacciones de un electrón, Dijo Jain.

"Necesitas un par de electrones para hacer un enlace entre los átomos, ", dijo." Cuando no proporcionas un par de electrones, y un par de protones para neutralizar la pérdida de electrones, terminas produciendo radicales libres, que son altamente reactivos y pueden reaccionar de forma inversa, desperdiciando la energía que usaste para crearlos. También pueden reaccionar con otros productos químicos o destruir su catalizador ".

Jain también concluyó que los experimentos recientes que realizó su laboratorio utilizando el mismo sistema también implicaron multielectrones, transferencias multiprotón. En esos experimentos, su laboratorio convirtió CO2 en etano, un compuesto de dos carbonos que es más rico en energía que el metano, que contiene solo un carbono. Jain y sus colegas esperan eventualmente generar propano, que tiene una columna vertebral de tres carbonos, y butano, que tiene cuatro.

"Desde el punto de vista de la química, es interesante comprender las reglas para unir átomos de carbono, "Dijo Jain." Transfiriendo más de un electrón a la vez, la activación de más de una molécula de dióxido de carbono a la vez en la superficie del catalizador de nanopartículas puede darnos acceso a hidrocarburos superiores ".

Si bien los nuevos hallazgos representan un importante paso adelante, se debe trabajar mucho más antes de que esta tecnología esté lista para ser empleada y ampliada para enfrentar los desafíos actuales, Dijo Jain.

"Todavía queda un largo camino por recorrer. Creo que necesitaremos al menos una década para encontrar un secuestro práctico de CO2, Fijación de CO2, tecnologías de formación de combustible que sean económicamente viables, ", dijo." Pero cada conocimiento del proceso mejora el ritmo al que la comunidad de investigación puede moverse ".