El Dr. Ng y su equipo sintetizaron un nuevo fotocatalizador envolviendo óxido cuproso con estructuras organometálicas a base de cobre. Crédito:Universidad de la Ciudad de Hong Kong
Dióxido de carbono (CO 2 ) es uno de los principales gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global. Si el dióxido de carbono se pudiera convertir en energía, sería matar dos pájaros de un tiro al abordar los problemas ambientales. Un equipo de investigación conjunto dirigido por la City University of Hong Kong (CityU) ha desarrollado un nuevo fotocatalizador que puede producir combustible de metano (CH 4 ) selectiva y eficazmente a partir del dióxido de carbono utilizando la luz solar. Según su investigación, la cantidad de metano producido casi se duplicó en las primeras 8 horas del proceso de reacción.
La investigación fue dirigida por el Dr. Ng Yun-hau, Profesor Asociado de la Escuela de Energía y Medio Ambiente (SEE), en colaboración con investigadores de Australia, Malasia y Reino Unido. Sus hallazgos se han publicado recientemente en la revista científica Angewandte Chemie, titulado "Estructuras metalorgánicas decoradas con nanocables de óxido cuproso para cargas de larga duración aplicadas en CO fotocatalítico selectivo 2 Reducción a CH 4 ".
Fotocatálisis inspirada en la naturaleza
"Inspirado por la fotosíntesis en la naturaleza, El dióxido de carbono ahora se puede convertir de manera efectiva en combustible de metano mediante nuestro catalizador de energía solar de nuevo diseño, lo que reducirá las emisiones de carbono. Es más, este nuevo catalizador está hecho de materiales a base de cobre, que es abundante y, por tanto, asequible, "dijo el Dr. Ng.
Explicó que es termodinámicamente desafiante convertir el dióxido de carbono en metano usando un fotocatalizador porque el proceso de reducción química implica una transferencia simultánea de ocho electrones. Monóxido de carbono, que es dañino para los humanos, se produce más comúnmente en el proceso porque requiere la transferencia de solo dos electrones.
Señaló que el óxido cuproso (Cu 2 O), un material semiconductor, se ha aplicado como fotocatalizador y electrocatalizador para reducir el dióxido de carbono a otros productos químicos como el monóxido de carbono y el metano en diferentes estudios. Sin embargo, enfrenta varias limitaciones en el proceso de reducción, incluyendo su estabilidad inferior y la reducción no selectiva que provoca la formación de una serie de diversos productos. La separación y purificación de estos productos de la mezcla puede ser un gran desafío y esto impone una barrera tecnológica para aplicaciones a gran escala. Es más, El óxido cuproso se puede corroer fácilmente después de una breve iluminación y evolucionar a cobre metálico u óxido de cobre.
La figura a muestra las imágenes de cables de cobre, nanocables de óxido cuproso y óxido cuproso con capa MOF. Figura b, cyd son sus imágenes de microscopio electrónico de barrido, respectivamente. Crédito:DOI:10.1002 / anie.202015735
Producción selectiva de metano puro
Para superar estos desafíos, El Dr. Ng y su equipo sintetizaron un fotocatalizador novedoso envolviendo óxido cuproso con estructuras organometálicas a base de cobre (MOF). Usando este nuevo catalizador, el equipo podría manipular la transferencia de electrones y producir selectivamente gas metano puro.
Descubrieron que, en comparación con el óxido cuproso sin capa de MOF, El óxido cuproso con capa MOF redujo el dióxido de carbono a metano de manera estable bajo irradiación de luz visible con un rendimiento casi duplicado. También, El óxido cuproso con caparazón de MOF fue más duradero y la absorción máxima de dióxido de carbono fue casi siete veces mayor que la del óxido cuproso desnudo.
Aumento de la absorción de dióxido de carbono
El equipo encapsuló los nanocables de óxido cuproso unidimensionales (1-D) (con un diámetro de aproximadamente 400 nm) con la capa exterior de MOF a base de cobre de aproximadamente 300 nm de espesor. Este revestimiento de conformación de MOF sobre óxido cuproso no bloquearía la captación de luz del catalizador. Además, MOF es un buen adsorbente de dióxido de carbono. Proporcionó áreas de superficie considerables para la adsorción y reducción de dióxido de carbono. Como estaba estrechamente unido al óxido cuproso, trajo una mayor concentración de dióxido de carbono adsorbido en lugares cercanos a los sitios catalíticos activos, fortalecer la interacción entre el dióxido de carbono y el catalizador.
Es más, el equipo descubrió que el óxido cuproso se estabilizaba mediante el revestimiento de conformación de MOF. Las cargas excitadas en el óxido cuproso tras la iluminación podrían migrar eficientemente al MOF. De este modo, Se evitó la acumulación excesiva de cargas excitadas dentro del catalizador que podrían conducir a la auto-corrosión. por lo tanto, extendió la vida útil del catalizador.
En contraste con la muestra de óxido cuproso desnudo, que perdió su actividad intrínseca en la quinta carrera, El óxido cuproso con capa MOF retuvo el 69,2% de su eficiencia original para la producción de metano después de cinco ciclos. Crédito:DOI:10.1002 / anie.202015735
Los electrones permanecieron en MOF con mayor probabilidad de tener reacciones químicas.
Dr. Wu Hao, el primer autor del artículo que también es de SEE, señaló uno de los aspectos más destacados de esta investigación y dijo:"Mediante el uso de la espectroscopia de fotoluminiscencia de resolución temporal avanzada, observamos que una vez que los electrones se excitaron a la banda de conducción del óxido cuproso, serían transferidos directamente al orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del MOF y permanecerían allí, pero no regresó rápidamente a su banda de valencia, que es de menor energía. Esto creó un estado de carga separada de larga duración. Por lo tanto, los electrones que permanecieron en el MOF tendrían una mayor probabilidad de sufrir reacciones químicas ".
Amplía la comprensión de las relaciones entre MOF y óxidos metálicos
Previamente, En general, se creía que las actividades fotocatalíticas mejoradas eran simplemente inducidas por el efecto de concentración de reactivo de MOF y que MOF solo servía como adsorbente de reactivo. Sin embargo, El equipo del Dr. Ng reveló cómo las cargas excitadas migran entre el óxido cuproso y el MOF en esta investigación. "Se ha demostrado que MOF juega un papel más importante en la configuración del mecanismo de reacción a medida que cambia la vía de los electrones, ", dijo. Señaló que este descubrimiento ha ampliado la comprensión de las relaciones entre los MOF y los óxidos metálicos más allá de su tipo convencional de interacciones de adsorción físico-química para facilitar la separación de cargas.
El equipo ha dedicado más de dos años a desarrollar esta estrategia eficaz para convertir el dióxido de carbono. Su próximo paso será aumentar aún más la tasa de producción de metano y explorar formas de ampliar tanto la síntesis del catalizador como los sistemas de reactores. "En todo el proceso de conversión de dióxido de carbono en metano, la única entrada de energía que hemos utilizado fue la luz solar. Esperamos en el futuro, el dióxido de carbono emitido por las fábricas y el transporte se puede 'reciclar' para producir combustibles ecológicos, "concluyó el Dr. Ng.
