Un primer plano de un trozo de mineral de cobre. Crédito:Proyecto fotográfico Coldmoon / Shutterstock
Dicen que es mejor haber tenido algo especial y haberlo perdido que no haberlo tenido nunca. ¿Quién hubiera pensado que el sentimiento es válido para los catalizadores de óxido metálico? Según los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y Caltech, el cobre que alguna vez estuvo ligado al oxígeno es mejor para convertir el dióxido de carbono en combustibles renovables que el cobre que nunca estuvo ligado al oxígeno.
Para su estudio, ahora publicado en la revista Catálisis ACS , Los científicos realizaron espectroscopía de rayos X en prototipos de generadores de combustible solar en funcionamiento para demostrar que los catalizadores hechos de óxido de cobre son superiores a los catalizadores de origen puramente metálico cuando se trata de producir etileno. un gas de dos carbonos con una amplia gama de aplicaciones industriales, incluso después de que no queden átomos de oxígeno detectables en el catalizador.
"Muchos investigadores han demostrado que los catalizadores de cobre derivados de óxidos son mejores para fabricar combustibles a partir de CO 2 , sin embargo, Existe un debate sobre por qué ocurre esto, "dijo el co-líder de la investigación Walter Drisdell, químico de Berkeley Lab y miembro del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP). La misión de JCAP es desarrollar eficientes, tecnologías de energía solar que pueden convertir el CO atmosférico 2 en combustibles alternativos de petróleo. Drisdell y sus colegas dicen que su descubrimiento es un avance importante hacia ese objetivo.
Explicó que bajo las condiciones de operación para la generación de combustible, que implica primero convertir el CO 2 en monóxido de carbono y luego construyendo cadenas de hidrocarburos; el oxígeno unido al cobre se agota naturalmente en el catalizador. Sin embargo, algunos investigadores creen que quedan pequeñas cantidades de oxígeno en la estructura metálica, y que esta es la fuente del aumento de la eficiencia.
Estas imágenes de microscopía electrónica de barrido muestran la estructura del catalizador de cobre en diferentes etapas. (a) El catalizador antes de ejecutar cualquier reacción. Las estructuras de cubo en la superficie son el resultado del óxido. (b) Cómo se ve el catalizador después de ejecutar la química de reducción de CO; todo el oxígeno se ha ido. (c) El catalizador después de agregar intencionalmente oxígeno al metal como una forma de recuperar el rendimiento del catalizador. El óxido de cobre se ha formado en pequeñas nanopartículas sobre la superficie lisa del metal de cobre. Crédito:Lee et al./ACS Catalysis
Para resolver el debate, el equipo trajo un sistema de cromatografía de gases (GC) a la línea de rayos X para que pudieran detectar la producción de etileno en tiempo real. "Nuestros colaboradores de Caltech llevaron el GC desde Pasadena y lo instalaron en la instalación de rayos X en Palo Alto, "dijo Soo Hong Lee, investigador postdoctoral en Berkeley Lab y coautor principal del estudio. "Con eso, Demostramos que no existe correlación entre la cantidad de oxígeno ('óxido') en el catalizador y la cantidad de etileno producido. Entonces, creemos que los catalizadores derivados de óxidos son buenos, no porque les quede oxígeno mientras reducen el monóxido de carbono, pero porque el proceso de eliminar el oxígeno crea una estructura de cobre metálico que es mejor para formar etileno ".
El equipo demostró además que, aunque la eficiencia de los catalizadores derivados de óxidos disminuye con el tiempo, se puede "reactivar" con regularidad volviendo a agregar y eliminar oxígeno durante un sencillo proceso de mantenimiento. Su siguiente paso es diseñar una celda generadora de combustible que pueda operar con instrumentos de dispersión de rayos X, permitiéndoles mapear directamente la estructura cambiante del catalizador mientras convierte el monóxido de carbono en etileno.
El equipo de investigación también incluyó a Ian Sullivan y Chengxiang Xiang en Caltech, y David Larson, Guiji Liu, y Francesca Toma en Berkeley Lab. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). JCAP es un centro de innovación energética del DOE.