Representación artística del proceso electrocatalítico para la conversión de dióxido de carbono y agua en etanol. Crédito:Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Los catalizadores aceleran las reacciones químicas y forman la columna vertebral de muchos procesos industriales. Por ejemplo, son esenciales para transformar el petróleo pesado en gasolina o combustible para aviones. Hoy dia, los catalizadores están involucrados en más del 80 por ciento de todos los productos manufacturados.
Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en colaboración con la Universidad del Norte de Illinois, ha descubierto un nuevo electrocatalizador que convierte el dióxido de carbono (CO 2 ) y agua en etanol con muy alta eficiencia energética, alta selectividad por el producto final deseado y bajo costo. El etanol es un producto particularmente deseable porque es un ingrediente en casi toda la gasolina de los EE. UU. Y se usa ampliamente como un producto intermedio en la química. industrias farmacéutica y cosmética.
"El proceso resultante de nuestro catalizador contribuiría a la economía circular del carbono, que conlleva la reutilización de dióxido de carbono, "dijo Di-Jia Liu, químico senior en la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne y científico de UChicago CASE en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker, Universidad de Chicago. Este proceso lo haría convirtiendo electroquímicamente el CO 2 emitidos por procesos industriales, como plantas de energía de combustibles fósiles o plantas de fermentación de alcohol, en productos valiosos a un costo razonable.
El catalizador del equipo consiste en cobre disperso atómicamente sobre un soporte de polvo de carbono. Por una reacción electroquímica, este catalizador descompone el CO 2 y moléculas de agua y reensambla selectivamente las moléculas rotas en etanol bajo un campo eléctrico externo. La selectividad electrocatalítica, o "eficiencia faradaica, "del proceso supera el 90 por ciento, mucho más alto que cualquier otro proceso informado. Qué es más, el catalizador funciona de forma estable durante un funcionamiento prolongado a bajo voltaje.
"Con esta investigación, Hemos descubierto un nuevo mecanismo catalítico para convertir el dióxido de carbono y el agua en etanol. "dijo Tao Xu, profesor de química física y nanotecnología de la Universidad del Norte de Illinois. "El mecanismo también debería proporcionar una base para el desarrollo de electrocatalizadores altamente eficientes para la conversión de dióxido de carbono en una amplia gama de productos químicos de valor agregado".
Porque CO 2 es una molécula estable, transformarlo en una molécula diferente normalmente requiere mucha energía y es costoso. Sin embargo, según Liu, "Podríamos acoplar el proceso electroquímico del CO 2 -a-etanol utilizando nuestro catalizador a la red eléctrica y aprovechar la electricidad de bajo costo disponible de fuentes renovables como la solar y la eólica durante las horas de menor actividad ". Debido a que el proceso se ejecuta a baja temperatura y presión, puede comenzar y detenerse rápidamente en respuesta al suministro intermitente de electricidad renovable.
La investigación del equipo se benefició de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE en Argonne:la fuente avanzada de fotones (APS) y el centro de materiales a nanoescala (CNM), así como el Centro de recursos informáticos de laboratorio (LCRC) de Argonne. "Gracias al alto flujo de fotones de los haces de rayos X en el APS, hemos capturado los cambios estructurales del catalizador durante la reacción electroquímica, '' dijo Tao Li, profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad del Norte de Illinois y científico asistente en la división de Ciencias de Rayos X de Argonne. Estos datos, junto con la microscopía electrónica de alta resolución en CNM y el modelado computacional utilizando el LCRC, revelaron una transformación reversible de cobre disperso atómicamente a grupos de tres átomos de cobre cada uno con la aplicación de un voltaje bajo. El co 2 La catálisis de -a-etanol ocurre en estos pequeños grupos de cobre. Este hallazgo arroja luz sobre formas de mejorar aún más el catalizador mediante un diseño racional.
"Hemos preparado varios catalizadores nuevos utilizando este enfoque y hemos descubierto que todos son muy eficientes en la conversión de CO 2 a otros hidrocarburos, ", dijo Liu." Planeamos continuar esta investigación en colaboración con la industria para hacer avanzar esta tecnología prometedora ".
