Por décadas, Los científicos han buscado formas efectivas de eliminar el exceso de emisiones de dióxido de carbono del aire. y reciclarlos en productos como combustibles renovables. Pero el proceso de convertir el dióxido de carbono en sustancias químicas útiles es tedioso, costoso, y derrochadores y por lo tanto no viables económica o ambientalmente.

Ahora, un descubrimiento realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) del Departamento de Energía de EE. UU. Muestra que reciclar el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles valiosos puede ser económico y eficiente, todo a través de un solo catalizador de cobre. .

El trabajo aparece en la edición del 17 de diciembre de la revista. Catálisis de la naturaleza .

Ir donde está la acción:sitios activos específicos del producto

Cuando tomas un trozo de metal de cobre, puede sentirse suave al tacto, pero a nivel microscópico, la superficie es realmente irregular, y estas protuberancias son lo que los científicos llaman "sitios activos, "dijo Joel Ager, investigador de JCAP que dirigió el estudio. Ager es científico de planta en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor adjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UC Berkeley.

Estos sitios activos son donde tiene lugar la magia de la electrocatálisis:los electrones de la superficie del cobre interactúan con el dióxido de carbono y el agua en una secuencia de pasos que los transforman en productos como el etanol combustible; etileno, el precursor de las bolsas de plástico; y propanol, un alcohol comúnmente utilizado en la industria farmacéutica.

Desde la década de 1980, cuando se descubrió el talento del cobre para convertir carbono en diversos productos útiles, siempre se asumió que sus sitios activos no eran específicos de un producto; en otras palabras, podría utilizar cobre como catalizador para producir etanol, etileno, propanol, o algún otro químico a base de carbono, pero tendría que seguir muchos pasos para separar los elementos no deseados sustancias químicas residuales que se forman durante las etapas intermedias de una reacción química antes de llegar a su destino final:el producto químico final.

"El objetivo de la química 'verde' o sostenible es obtener el producto que desea durante la síntesis química, ", dijo Ager." No desea separar las cosas que no desea de los productos deseables, porque eso es caro y ambientalmente indeseable. Y ese gasto y desperdicio reduce la viabilidad económica de los combustibles solares basados ​​en carbono ".

Entonces, cuando Ager y el coautor Yanwei Lum, quien era un Ph.D. de UC Berkeley. estudiante en el laboratorio de Ager en el momento del estudio, estaban investigando las propiedades catalíticas del cobre para un proyecto de combustibles solares, se preguntaron "Y si, como la fotosíntesis en la naturaleza, ¿Podríamos usar electrones de células solares para impulsar sitios activos específicos de un catalizador de cobre para hacer una corriente de producto puro de un combustible o químico a base de carbono? ”, dijo Ager.

Rastrear los orígenes de una sustancia química a través de su 'pasaporte'

Estudios anteriores habían demostrado que el cobre "oxidado" u oxidado es un excelente catalizador para producir etanol, etileno, y propanol. Los investigadores teorizaron que si los sitios activos en el cobre fueran realmente específicos del producto, podrían rastrear los orígenes de las sustancias químicas a través de isótopos de carbono, "como un pasaporte con sellos que nos dicen qué países visitaron, "Dijo Ager.

"Cuando pensamos en el experimento, pensamos que esta es una idea tan obvia, que sería una locura intentarlo, ", Dijo Ager." Pero no podíamos dejarlo pasar, porque también pensamos que funcionaría ya que nuestra investigación previa con isótopos nos había permitido descubrir nuevas vías de reacción ".

Entonces, durante los próximos meses, Lum y Ager llevaron a cabo una serie de experimentos utilizando dos isótopos de carbono, carbono-12 y carbono-13, como "sellos de pasaporte". El dióxido de carbono se marcó con carbono-12, y el monóxido de carbono, un intermedio clave en la formación de enlaces carbono-carbono, se marcó con carbono 13. Según su metodología, los investigadores razonaron que la proporción de carbono-13 versus carbono-12 - la "firma isotópica" - encontrada en un producto determinaría de qué sitios activos se originó el producto químico.

Después de que Lum realizó docenas de experimentos y utilizó espectrometría de masas de última generación y espectroscopía de RMN (resonancia magnética nuclear) en JCAP para analizar los resultados, encontraron que tres de los productos - etileno, etanol, y propanol - tenían diferentes firmas isotópicas que mostraban que provenían de diferentes sitios en el catalizador. "Este descubrimiento motiva el trabajo futuro para aislar e identificar estos diferentes sitios, "Lum dijo." Poner estos sitios específicos de productos en un solo catalizador podría algún día resultar en una generación muy eficiente y selectiva de productos químicos, "Dijo Lum.

Se avecinan días verdes para la fabricación de productos químicos

La nueva metodología de los investigadores, lo que Ager describe como "química sencilla con un giro ambiental y económico", es lo que esperan que pueda ser un nuevo comienzo para la fabricación de productos químicos ecológicos, donde una célula solar podría alimentar electrones a sitios activos específicos dentro de un catalizador de cobre para optimizar la producción de combustibles de etanol.

"Quizás algún día esta tecnología podría hacer posible tener algo así como una refinería de petróleo, pero impulsado por el sol, sacar el dióxido de carbono de la atmósfera y crear una corriente de productos útiles, " él dijo.