Un catalizador de bajo costo a base de estaño puede convertir selectivamente el dióxido de carbono en tres sustancias químicas ampliamente producidas:etanol, ácido acético y ácido fórmico.
Escondido entre las emisiones de muchas operaciones industriales se encuentra un recurso sin explotar:el dióxido de carbono (CO2 ). Como contribuyente a los gases de efecto invernadero y al calentamiento global, podrían capturarse y convertirse en productos químicos con valor añadido.
En un proyecto de colaboración en el que participan el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), la Universidad del Norte de Illinois y la Universidad de Valparaíso, los científicos informan sobre una familia de catalizadores que convierte eficientemente el CO2 en etanol, ácido acético o ácido fórmico. Estos químicos se encuentran entre los más producidos en los EE. UU. y se encuentran en muchos productos comerciales. Por ejemplo, el etanol es un ingrediente clave en numerosos productos para el hogar y un aditivo en casi toda la gasolina estadounidense.
El trabajo está publicado en el Journal of the American Chemical Society .
Los catalizadores se basan en estaño metálico depositado sobre un soporte de carbono. "Si se desarrollan completamente, nuestros catalizadores podrían convertir el CO2 "Se producen en diversas fuentes industriales hasta productos químicos valiosos", dijo Di-Jia Liu. "Estas fuentes incluyen plantas de energía de combustibles fósiles e instalaciones de biofermentación y tratamiento de residuos". Liu es químico senior en Argonne y científico senior en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular en la Universidad de Chicago.
El método utilizado por el equipo se llama conversión electrocatalítica, lo que significa que CO2 La conversión a través de un catalizador es impulsada por la electricidad. Al variar el tamaño del estaño utilizado, desde átomos individuales hasta grupos ultrapequeños y también nanocristalitos más grandes, el equipo pudo controlar el CO2 conversión a ácido acético, etanol y ácido fórmico, respectivamente. La selectividad para cada uno de estos químicos fue del 90% o más. "Nuestro hallazgo de una ruta de reacción cambiante según el tamaño del catalizador no tiene precedentes", afirmó Liu.
Los estudios computacionales y experimentales revelaron varios conocimientos sobre los mecanismos de reacción que forman los tres hidrocarburos. Una idea importante fue que la ruta de reacción cambia completamente cuando el agua ordinaria utilizada en la conversión se cambia a agua deuterada (el deuterio es un isótopo de hidrógeno). Este fenómeno se conoce como efecto isotópico cinético. Nunca antes se había observado en CO2 conversión.
Esta investigación se benefició de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne:la Fuente Avanzada de Fotones (APS) y el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM).
"Utilizando los haces de rayos X duros disponibles en el APS, capturamos las estructuras químicas y electrónicas de los catalizadores a base de estaño con diferentes cargas de estaño", dijo Chengjun Sun, físico de Argonne. Además, la alta resolución espacial posible con un microscopio electrónico de transmisión en CNM obtuvo imágenes directamente de la disposición de los átomos de estaño, desde átomos individuales hasta pequeños grupos, con las diferentes cargas de catalizador.
Según Liu, "Nuestro objetivo final es utilizar electricidad generada localmente a partir de energía eólica y solar para producir los productos químicos deseados para el consumo local".
Esto requeriría integrar los catalizadores recién descubiertos en un electrolizador de baja temperatura para llevar a cabo la producción de CO2. conversión con electricidad suministrada por energías renovables. Los electrolizadores de baja temperatura pueden funcionar a temperatura y presión cercanas a la ambiente. Esto permite un arranque y una parada rápidos para adaptarse al suministro intermitente de energía renovable. Es una tecnología ideal para cumplir este propósito.
"Si podemos producir selectivamente sólo los productos químicos necesarios cerca del sitio, podemos ayudar a reducir las emisiones de CO2 costos de transporte y almacenamiento", señaló Liu. "Sería realmente una situación beneficiosa para los adoptadores locales de nuestra tecnología".
Nota de corrección (24/05/2024):Este artículo se refería anteriormente al etanol, el ácido acético y el ácido fórmico como "hidrocarburos líquidos"; sin embargo, no son hidrocarburos, ya que contienen átomos de oxígeno en sus moléculas.
Más información: Haiping Xu et al, Modulación del CO2 Conversión electrocatalítica a la vía orgánica mediante la dimensión del sitio catalítico, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12722
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
