Dióxido de carbono o CO₂ potencialmente puede usarse como materia prima para convertirla en "combustibles solares" neutrales en carbono que almacenan energía del sol. Pero para que sean competitivos con los combustibles fósiles, la reacción química que realiza esta conversión necesita catalizadores mucho más eficientes. Recientemente, los investigadores han ideado una estructura de fotocatalizador que involucra átomos individuales aislados de cobre en un marco de polímero que mejora radicalmente el rendimiento del catalizador.

Se publicó una descripción del nuevo catalizador en la revista Nano Research .

Hay una serie de sectores, como el transporte marítimo de larga distancia y la aviación, que son difíciles de electrificar y, por lo tanto, en la batalla para mitigar el cambio climático, será necesario desarrollar algún tipo de combustible neutro en carbono. Mientras tanto, la energía solar puede ser baja en carbono, pero depende del clima. A veces no se produce suficiente electricidad y otras veces demasiada.

Una solución elegante que podría mejorar ambos problemas es la conversión de energía solar en combustibles sintéticos. Reduciendo el CO₂ atmosférico y usándolo como materia prima combinado con hidrógeno producido por la división de moléculas de agua, se pueden producir versiones de hidrocarburos neutrales en carbono en una fábrica. De hecho, esto almacena energía solar para su uso posterior cuando el sol no brilla o como un combustible limpio que funciona en sectores difíciles de electrificar (y más allá).

Sin embargo, uno de los grandes desafíos que enfrenta esta visión de conversión de energía solar en combustibles que imita cómo las plantas convierten la luz solar en energía es aumentar la eficiencia de las reacciones químicas involucradas lo suficiente como para que el costo del producto final sea competitivo con los combustibles fósiles sucios.

La clave para lograr tales eficiencias es producir mejores catalizadores, sustancias que aceleran la reacción química. El objetivo principal ha sido maximizar la concentración de sitios en las moléculas del catalizador donde puede tener lugar una reacción para mejorar la eficiencia y al mismo tiempo reducir los desechos.

En la última década más o menos, la comunidad de investigación de catalizadores ha centrado cada vez más su atención en los catalizadores de un solo átomo (SAC) con el objetivo de dar un gran impulso a todo tipo de procesos industriales, no solo a la fotocatálisis que necesita la conversión de energía solar en combustibles. . Los SAC son catalizadores en los que todos los átomos de metal involucrados en la reacción existen como átomos individuales aislados dispersos en una estructura de soporte sólida. Estos átomos de un solo metal también suelen estar cargados positivamente. Como resultado de esta estructura geométrica y electrónica inusual, los SAC pueden mejorar radicalmente la eficiencia de la catálisis.

El campo de la investigación y el desarrollo de SAC se ha disparado en los últimos años gracias en gran parte a la llegada de métodos avanzados de espectroscopia de rayos X y de imágenes. Estos han permitido a los químicos producir imágenes muy detalladas de SAC en acción, incluso cuando se está produciendo la reacción, lo que les permite comprender mejor lo que está sucediendo y probar hipótesis novedosas. Junto a esto, las técnicas modernas de síntesis química han permitido la construcción de SAC muy finamente adaptados apropiados para un proceso deseado.

"En los últimos años se han desarrollado muchos SAC diferentes para otras reacciones químicas, lo que ha supuesto una revolución en el rendimiento catalítico", dijo Jiangwei Zhang, coautor del artículo y físico químico del Centro de Investigación de Materiales Energéticos e Ingeniería Química Avanzada de la China University of Petroleum en Qingdao, "y ahora era el turno de los fotocatalizadores para la producción de combustible solar".

Los investigadores construyeron un SAC con una estructura covalente basada en triazina (CTF) que ancla átomos de cobre individuales. Los CTF son una clase relativamente nueva de polímeros (cadenas de moléculas muy grandes) que ya se ha demostrado que aumentan el rendimiento de la división fotocatalítica del agua. Mediante la combinación de CTF con átomos de cobre individuales, los químicos intentaron generar una estructura altamente porosa (para mejorar la cantidad de sitios disponibles donde puede tener lugar la reacción química relevante) y brindar la máxima eficiencia atómica. Llaman a esta formulación Cu-SA/CTF.

Pudieron visualizar los átomos individuales de Cu mediante imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM). Y la estructura de los sitios donde tienen lugar las reacciones se reveló mediante análisis de estructura fina de absorción de rayos X extendidos (EXAFS).

Con esta información, los investigadores pudieron probar el rendimiento de los fotocatalizadores Cu-SA/CTF e investigar qué sucedía a nivel atómico. Descubrieron que la adición de átomos de cobre individuales a la estructura había dotado a los catalizadores de una mayor capacidad para adsorber CO₂ (pegar el CO₂ a sí mismo para realizar la reacción química), y fortaleció la respuesta a la luz visible que impulsa el proceso, además de ofrecer una serie de otras mejoras. Juntos, esto funcionó para mejorar significativamente la conversión de CO₂ y agua en combustible de metano.

Como resultado, los investigadores pudieron desarrollar pautas para diseñar a escala atómica otros fotocatalizadores robustos para la conversión de CO₂. en otras sustancias útiles. + Explora más

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