Ilustración del sistema de Electrocatálisis que sintetizó el nanoalambre liso y luego lo activó aplicando un voltaje para obtener la superficie rugosa escalonada que es altamente selectiva para la reducción de CO2 a etileno. Crédito:Yu Huang y William A. Goddard III
Un equipo de investigación de Caltech y la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA ha demostrado una forma prometedora de convertir de manera eficiente el dióxido de carbono en etileno, una sustancia química importante que se utiliza para producir plásticos. solventes, cosméticos y otros productos importantes a nivel mundial.
Los científicos desarrollaron alambres de cobre a nanoescala con superficies de formas especiales para catalizar una reacción química que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero mientras genera etileno, una sustancia química valiosa al mismo tiempo. Los estudios computacionales de la reacción muestran que el catalizador conformado favorece la producción de etileno sobre hidrógeno o metano. Un estudio que detalla el avance fue publicado en Catálisis de la naturaleza .
"Estamos al borde del agotamiento de los combustibles fósiles, junto con los desafíos del cambio climático global, "dijo Yu Huang, el coautor correspondiente del estudio, y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UCLA. "El desarrollo de materiales que puedan convertir de manera eficiente los gases de efecto invernadero en combustibles de valor agregado y materias primas químicas es un paso fundamental para mitigar el calentamiento global y, al mismo tiempo, evitar la extracción de combustibles fósiles cada vez más limitados. Este experimento integrado y análisis teórico presenta un camino sostenible hacia el reciclaje de dióxido de carbono y utilización."
En la actualidad, el etileno tiene una producción anual mundial de 158 millones de toneladas. Mucho de eso se convierte en polietileno, que se utiliza en envases de plástico. El etileno se procesa a partir de hidrocarburos, como el gas natural.
"La idea de utilizar cobre para catalizar esta reacción ha existido durante mucho tiempo, pero la clave es acelerar la tasa para que sea lo suficientemente rápida para la producción industrial, "dijo William A. Goddard III, el coautor correspondiente del estudio y profesor de Química Charles y Mary Ferkel de Caltech, Ciencia de los Materiales, y Física Aplicada. "Este estudio muestra un camino sólido hacia esa marca, con el potencial de transformar la producción de etileno en una industria más ecológica utilizando CO 2 que de otro modo acabaría en la atmósfera ".
Usar cobre para poner en marcha el dióxido de carbono (CO 2 ) reducción a reacción de etileno (C 2 H 4 ) ha sufrido dos strikes en su contra. Primero, la reacción química inicial también produjo hidrógeno y metano, ambos indeseables en la producción industrial. Segundo, los intentos anteriores que dieron como resultado la producción de etileno no duraron mucho, con la eficiencia de conversión disminuyendo a medida que el sistema continuaba funcionando.
Para superar estos dos obstáculos, los investigadores se centraron en el diseño de los nanocables de cobre con "escalones" muy activos, similar a un conjunto de escaleras dispuestas a escala atómica. Un hallazgo intrigante de este estudio colaborativo es que este patrón de pasos a través de las superficies de los nanocables se mantuvo estable en las condiciones de reacción. contrariamente a la creencia generalizada de que estas características de alta energía se suavizarían. Esta es la clave tanto para la durabilidad como para la selectividad del sistema en la producción de etileno, en lugar de otros productos finales.
El equipo demostró una tasa de conversión de dióxido de carbono a etileno superior al 70%, mucho más eficiente que los diseños anteriores, que rindió al menos un 10% menos en las mismas condiciones. El nuevo sistema funcionó durante 200 horas, con pocos cambios en la eficiencia de conversión, un gran avance para los catalizadores a base de cobre. Además, la comprensión integral de la relación estructura-función ilustró una nueva perspectiva para diseñar CO altamente activo y duradero 2 catalizador de reducción en acción.
Huang y Goddard han sido colaboradores frecuentes durante muchos años, con el grupo de investigación de Goddard centrándose en las razones teóricas que sustentan las reacciones químicas, mientras que el grupo de Huang ha creado nuevos materiales y ha realizado experimentos. El autor principal del artículo es Chungseok Choi, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en UCLA Samueli y miembro del laboratorio de Huang.
