Una colaboración internacional de científicos ha dado un paso significativo hacia la realización de una tecnología de carbono neto cero casi "verde" que convertirá eficientemente el dióxido de carbono, un importante gas de efecto invernadero, e hidrógeno en etanol, que es útil como combustible y tiene muchas otras aplicaciones químicas. El estudio informa una "hoja de ruta" para navegar con éxito esta desafiante reacción y proporciona una imagen de la secuencia de reacción completa utilizando modelos teóricos y caracterización experimental.

Dirigido por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el grupo determinó que traer cesio, cobre, y el óxido de zinc juntos en una configuración de contacto cercano catalizan una vía de reacción que transforma el dióxido de carbono (CO ₂ ) en etanol (C2H6O). También descubrieron por qué esta interfaz de tres partes es exitosa. El estudio, que se describe en un artículo en la edición en línea del 23 de julio de la Revista de la Sociedad Química Estadounidense y aparece en la portada de la publicación, impulsará más investigaciones sobre cómo desarrollar un catalizador industrial práctico para convertir selectivamente el CO ₂ en etanol. Dichos procesos conducirán a tecnologías capaces de reciclar CO ₂ emitidos por la combustión y convertirlos en productos químicos o combustibles utilizables.

Ninguno de los tres componentes examinados en el estudio es capaz de catalizar individualmente el CO ₂ conversión a etanol, ni pueden hacerlo en parejas. Pero cuando el trío se reúne en una determinada configuración, la región donde se encuentran abre una nueva ruta para la formación de enlaces carbono-carbono que hace que la conversión de CO ₂ al etanol posible. La clave de esto es la interacción bien ajustada entre el cesio, cobre, y sitios de óxido de zinc.

"Se ha trabajado mucho en la conversión de dióxido de carbono en metanol, sin embargo, el etanol tiene muchas ventajas sobre el metanol. Como combustible el etanol es más seguro y más potente. Pero su síntesis es muy desafiante debido a la complejidad de la reacción y la dificultad de controlar la formación de enlaces C-C, "dijo el investigador correspondiente del estudio, El químico de Brookhaven, Ping Liu. "Ahora sabemos qué tipo de configuración es necesaria para realizar la transformación, y los roles que juega cada componente durante la reacción. Es un gran avance ".

La interfaz se forma depositando pequeñas cantidades de cobre y cesio sobre una superficie de óxido de zinc. Para estudiar las regiones donde se encuentran los tres materiales, el grupo recurrió a una técnica de rayos X llamada espectroscopia de fotoemisión de rayos X, que mostró un cambio probable en el mecanismo de reacción del CO ₂ hidrogenación cuando se añadió cesio. Se revelaron más detalles utilizando dos enfoques teóricos ampliamente utilizados:cálculos de la "teoría funcional de la densidad", un método de modelado computacional para investigar las estructuras de materiales, y "simulación cinética de Monte Carlo, "simulación por computadora para simular la cinética de la reacción. Para este trabajo, el grupo utilizó los recursos informáticos del Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven y el Centro de Computación Científica de Investigación de Energía Nacional del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Una de las cosas que aprendieron del modelado es que el cesio es un componente vital del sistema activo. Sin su presencia, no se puede producir etanol. Además, También es importante una buena coordinación con el cobre y el óxido de zinc. Pero hay mucho más que aprender.

"Hay muchos desafíos que superar antes de llegar a un proceso industrial que pueda convertir el dióxido de carbono en etanol utilizable, "dijo el químico de Brookhaven José Rodríguez, que participó en el trabajo. "Por ejemplo, Debe haber una forma clara de mejorar la selectividad hacia la producción de etanol. Una cuestión clave es comprender el vínculo entre la naturaleza del catalizador y el mecanismo de reacción; este estudio está en la primera línea de ese esfuerzo. Nuestro objetivo es lograr una comprensión fundamental del proceso ".

Otro objetivo de esta área de investigación es encontrar un catalizador ideal para el CO ₂ conversión a alcoholes "superiores", que tienen dos o más átomos de carbono (el etanol tiene dos) y son, por lo tanto, más útil y deseable para aplicaciones industriales y la producción de bienes básicos. El catalizador estudiado en este trabajo es ventajoso porque los catalizadores a base de cobre y óxido de zinc ya están muy extendidos en la industria química y se utilizan en procesos catalíticos como la síntesis de metanol a partir de CO ₂ .

Los investigadores han planeado estudios de seguimiento en el National Synchrotron Light Source II de Brookhaven, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, que ofrece un conjunto único de herramientas y técnicas para la caracterización de catalizadores en condiciones de trabajo. Allí, investigarán con más detalle el sistema Cu-Cs-ZnO y los catalizadores con una composición diferente.