Aprovechamiento del gas de efecto invernadero CO2 como materia prima química no sólo reduciría las emisiones, sino también el consumo de materias primas fósiles. Una nueva estructura orgánica libre de metales podría permitir producir electrocatalíticamente etileno, una materia prima química primaria, a partir de CO2 .
Como ha informado el equipo en la revista Angewandte Chemie International Edition , los átomos de nitrógeno con una configuración electrónica particular desempeñan un papel fundamental para el catalizador.
Etileno (eteno, C2 H4 ) es un material de partida esencial para muchos productos, incluido el polietileno y otros plásticos. El etileno se produce industrialmente mediante craqueo y rectificación de alta energía de materias primas fósiles.
La conversión electroquímica del CO2 al etileno sería una ruta prometedora para reducir el CO2 emisiones y al mismo tiempo ahorra energía y recursos fósiles.
CO2 Es muy estable, lo que dificulta su inducción a la reacción. Con el uso de electricidad y catalizadores actualmente es posible convertirlo en C1 productos químicos como metanol y metano.
El desafío adicional en la producción de etileno es que se debe formar un enlace entre dos átomos de carbono. Hasta ahora esto sólo se había logrado con catalizadores de cobre. La electrocatálisis sin metales sería ventajosa porque los metales son un factor de costo y pueden causar problemas ambientales.
Un equipo dirigido por Chengtao Gong y Fu-Sheng Ke de la Universidad de Wuhan (China) ha desarrollado un electrocatalizador sin metales para la conversión de CO2 al etileno. El catalizador se basa en una estructura orgánica covalente (COF) que contiene nitrógeno.
Los COF son una nueva clase de materiales porosos, cristalinos y puramente orgánicos con topología definida. A diferencia de las estructuras organometálicas (MOF), no necesitan iones metálicos para mantenerse unidas. Sus tamaños de poro y propiedades químicas se pueden ajustar en una amplia gama mediante la selección de los componentes básicos.
El nuevo COF contiene átomos de nitrógeno con una configuración electrónica especial (sp 3 hibridación) como centros catalíticamente activos. Estos sp 3 Los centros de nitrógeno unen los bloques de construcción individuales en una estructura a través de un enlace aminal (dos grupos amino unidos a un átomo de carbono).
A diferencia de los COF con un enlace imino clásico (–C=N–), los COF aminales tienen requisitos estrictos con respecto a las longitudes y ángulos de los enlaces entre los bloques de construcción, lo que hace que las estructuras se formen mediante cierres de anillos.
Los investigadores encontraron una combinación adecuada utilizando piperazina (un anillo de seis miembros formado por cuatro átomos de carbono y dos de nitrógeno) y un bloque de construcción formado por tres anillos de carbono aromáticos de seis miembros. Cuando se utilizaron como electrodos, sus nuevos COF demostraron una alta selectividad y rendimiento (eficiencia de Faraday de hasta 19,1%) para la producción de etileno.
El éxito de los COF aminales se debe a la alta densidad de sp 3 activo. -centros de nitrógeno, que capturan CO2 de forma muy eficaz y transferir electrones. Esto da como resultado una alta concentración de intermediarios excitados que pueden sufrir un acoplamiento C-C.
Por el contrario, una variedad de COF ligados a imina, que contienen sp 2 nitrógeno en lugar de sp 3 , fueron probados de manera similar y no produjeron etileno. Esto demuestra la importancia de una configuración electrónica adecuada para la reducción electroquímica del CO2 al etileno.
Más información: Yang Xiao et al, Ingeniería de enlaces en estructuras orgánicas covalentes para la producción electrocatalítica de C2H4 sin metales a partir de CO2, Edición internacional Angewandte Chemie (2024). DOI:10.1002/anie.202404738
Información de la revista: Edición internacional Angewandte Chemie
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