Visualización de un cambio de una economía contaminante del aire basada en combustibles fósiles a una economía limpia basada en energías renovables, que se facilita por la conversión electrocatalítica de abundante CO 2 a los combustibles y otros productos químicos útiles. El cuello de botella de esta reacción es la activación de un CO lineal 2 molécula al carboxilato adsorbido de CO 2 ? con una geometría similar a una silla. Crédito:Irina Chernyshova y Sathish Ponnurangam / Columbia Engineering
Usando espectroscopía Raman mejorada en superficie, Los ingenieros de Columbia son los primeros en observar cómo el CO 2 se activa en la interfaz electrodo-electrolito; Su hallazgo cambia el diseño del catalizador del paradigma de prueba y error a un enfoque racional y podría conducir a alternativas, más económico, y almacenamiento de energía renovable más seguro
Nueva York, Nueva York:17 de septiembre 2018:los científicos han buscado durante mucho tiempo formas de convertir CO abundante 2 a productos útiles como productos químicos y combustibles. Ya en 1869, fueron capaces de convertir CO electrocatalíticamente 2 al ácido fórmico. Durante las últimas dos décadas, el aumento de CO 2 en la atmósfera de la Tierra ha acelerado significativamente la investigación en CO 2 conversión utilizando recursos energéticos renovables, incluyendo solar, viento, y marea. Debido a que estos recursos son intermitentes:el sol no brilla todos los días, ni el viento sopla constantemente:cómo almacenar energía renovable de forma segura y rentable es un gran desafío.
Investigaciones recientes en CO electrocatalítico 2 la conversión señala el camino al uso de CO 2 como materia prima y electricidad renovable como fuente de energía para la síntesis de diferentes tipos de combustibles y productos químicos de valor agregado como el etileno, etanol, y propano. Pero los científicos aún no comprenden ni siquiera el primer paso de estas reacciones:CO 2 activación, o la transformación del CO lineal 2 molécula en la superficie del catalizador al aceptar el primer electrón. Conocer la estructura exacta del CO activado 2 es esencial porque su estructura dicta tanto el producto final de la reacción como su costo energético. Esta reacción puede comenzar a partir de muchos pasos iniciales y pasar por muchas vías, dando típicamente una mezcla de productos. Si los científicos descubren cómo funciona el proceso, estarán en mejores condiciones de promover o inhibir selectivamente ciertas vías, lo que conducirá al desarrollo de un catalizador comercialmente viable para esta tecnología.
Los investigadores de Columbia Engineering anunciaron hoy que resolvieron la primera pieza del rompecabezas:han demostrado que el CO 2 la electrorreducción comienza con un intermedio común, no dos como se pensaba comúnmente. Aplicaron un conjunto completo de métodos experimentales y teóricos para identificar la estructura del primer intermedio de CO 2 electrorreducción:carboxilato CO 2 —Que está unido a la superficie con átomos de C y O. Su avance publicado en línea hoy en PNAS , vino aplicando la dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS) en lugar de la espectroscopía infrarroja mejorada en la superficie (SEIRAS) más utilizada. Los resultados espectroscópicos fueron corroborados por modelos químicos cuánticos.
"Nuestros hallazgos sobre CO 2 La activación abrirá la puerta a una gama increíblemente amplia de posibilidades:si podemos comprender completamente el CO 2 electrorreducción, podremos reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, contribuir a la mitigación del cambio climático, "dice la autora principal del artículo, Irina Chernyshova, científico investigador asociado, Departamento de Ingeniería de Tierras y Medio Ambiente. "Además, nuestra visión del CO 2 La activación en la interfaz de agua sólida permitirá a los investigadores modelar mejor los escenarios prebióticos de CO 2 a moléculas orgánicas complejas que pueden haber dado lugar al origen de la vida en nuestro planeta ".
Decidieron utilizar SERS en lugar de SEIRAS para sus observaciones porque encontraron que SERS tiene varias ventajas significativas que permiten una identificación más precisa de la estructura del intermedio de reacción. Más importante, los investigadores pudieron medir los espectros vibratorios de las especies formadas en la interfaz electrodo-electrolito a lo largo de todo el rango espectral y en un electrodo operativo (in operandi). Usando simulaciones químicas cuánticas y métodos electroquímicos convencionales, los investigadores pudieron obtener el primer vistazo detallado de cómo el CO 2 se activa en la interfaz electrodo-electrolito.
Comprender la naturaleza del primer intermedio de reacción es un paso crítico hacia la comercialización del CO electrocatalítico. 2 conversión a productos químicos útiles. Crea una base sólida para pasar del paradigma de prueba y error al diseño racional de catalizadores. "Con este conocimiento y poder computacional, "dice el coautor del artículo, Sathish Ponnurangam, un ex estudiante de posgrado y postdoctorado en el laboratorio de Somasundaran que ahora es profesor asistente de ingeniería química y petrolera en la Universidad de Calgary, Canadá, "los investigadores podrán predecir con mayor precisión la reacción en diferentes catalizadores y especificar los más prometedores, que se puede sintetizar y probar adicionalmente ".
"Los experimentos de Columbia Engineering proporcionan tal detalle que deberíamos poder obtener una validación muy definitiva de los modelos computacionales, "dice William Goddard, Charles y Mary Ferkel Profesor de Química, Ciencia de los Materiales, y Física Aplicada en CalTech, que no participó en el estudio. "Espero que, junto con nuestra teoría, Los experimentos de Columbia Engineering proporcionarán mecanismos precisos que se establecerán y examinarán cómo cambian los mecanismos para diferentes aleaciones, estructuras superficiales, electrolitos aditivos, debe permitir la optimización de los electrocatalizadores para la escupir agua (combustibles solares), CO 2 reducción a combustibles y materias primas orgánicas, Reducción de N2 a NH3 para obtener fertilizantes mucho menos costosos, todos los problemas clave que enfrenta la sociedad para obtener la energía y los alimentos para adaptarse a nuestra población en expansión ".
La electrocatálisis y la fotocatálisis (la llamada fotosíntesis artificial) se encuentran entre las formas más prometedoras de lograr un almacenamiento eficaz de energía renovable. CO 2 La electrorreducción ha estado capturando la imaginación de los investigadores durante más de 150 años debido a su similitud con la fotosíntesis. Así como una planta convierte la luz solar en energía química, un catalizador convierte los electrones suministrados por la energía renovable en energía química que se almacena en productos reducidos de CO 2 . Además de su aplicación para energías renovables, La tecnología de electrocatálisis también puede permitir misiones y colonias tripuladas a Marte al proporcionar combustible para el viaje de regreso y productos químicos carbonosos del CO 2 eso constituye el 95 por ciento de la atmósfera de ese planeta.
"Esperamos que nuestros hallazgos y nuestra metodología estimulen el trabajo sobre cómo hacer que sea más rápido y con un menor costo de energía, no solo el CO electrocatalítico sino también fotocatalítico 2 reducción, "dice Ponisseril Somasundaran, LaVon Duddleson Krumb Profesor de Ingeniería Mineral, Departamento de Ingeniería de Tierras y Medio Ambiente. "En este último caso, un catalizador reduce el CO 2 utilizando luz solar directa. Aunque estos dos enfoques son experimentalmente diferentes, son microscópicamente similares; ambos comienzan con la activación de CO 2 tras la transferencia de electrones desde la superficie de un catalizador. En este punto, Creo que ambos enfoques dominarán el futuro ".
El equipo ahora está trabajando para descubrir los pasos de reacción subsiguientes, para ver cómo el CO 2 se transforma aún más y para desarrollar catalizadores superiores basados en elementos abundantes en la tierra como Cu (cobre) y Sn (estaño).
El estudio se titula "Sobre el origen del escurridizo primer intermedio de la electrorreducción de CO2".
