El cobre, el material de los centavos y las teteras, es también uno de los pocos metales que pueden convertir el dióxido de carbono en combustibles de hidrocarburos con relativamente poca energía. Cuando se modela en un electrodo y se estimula con voltaje, el cobre actúa como un catalizador fuerte, desencadenando una reacción electroquímica con dióxido de carbono que reduce el gas de efecto invernadero a metano o metanol.

Varios investigadores de todo el mundo han estudiado el potencial del cobre como un medio energéticamente eficiente para reciclar las emisiones de dióxido de carbono en las centrales eléctricas:en lugar de liberarse a la atmósfera, El dióxido de carbono circularía a través de un catalizador de cobre y se convertiría en metano, que luego podría alimentar el resto de la planta. Un sistema de autoenergización de este tipo podría reducir enormemente las emisiones de gases de efecto invernadero de las plantas de carbón y de gas natural.

Pero el cobre es temperamental:se oxida fácilmente, como cuando un viejo centavo se pone verde. Como resultado, el metal es inestable, lo que puede ralentizar significativamente su reacción con el dióxido de carbono y producir subproductos no deseados como el monóxido de carbono y el ácido fórmico.

Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una solución que puede reducir aún más la energía necesaria para que el cobre convierta el dióxido de carbono. al mismo tiempo que hace que el metal sea mucho más estable. El grupo ha diseñado pequeñas nanopartículas de cobre mezcladas con oro, que es resistente a la corrosión y oxidación. Los investigadores observaron que solo un toque de oro hace que el cobre sea mucho más estable. En experimentos, recubrieron electrodos con las nanopartículas híbridas y descubrieron que se necesitaba mucha menos energía para que estas nanopartículas diseñadas reaccionaran con el dióxido de carbono, en comparación con las nanopartículas de cobre puro.

Un artículo detallando los resultados aparecerá en la revista. Comunicaciones químicas ; la investigación fue financiada por la National Science Foundation. La coautora Kimberly Hamad-Schifferli del MIT dice que los hallazgos apuntan a un medio potencialmente eficiente desde el punto de vista energético para reducir las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas.

"Normalmente hay que invertir mucha energía en convertir el dióxido de carbono en algo útil, ”Dice Hamad-Schifferli, profesor asociado de ingeniería mecánica e ingeniería biológica. “Demostramos que las nanopartículas híbridas de cobre y oro son mucho más estables, y tienen el potencial de reducir la energía que necesita para la reacción ".

Yendo pequeño

El equipo eligió diseñar partículas a nanoescala para "obtener más por su dinero, ”Hamad-Schifferli dice:Cuanto más pequeñas son las partículas, cuanto mayor sea la superficie disponible para la interacción con las moléculas de dióxido de carbono. “Podrías tener más sitios para que el CO2 venga y se quede y se convierta en otra cosa, ”Ella dice.

Hamad-Schifferli trabajó con Yang Shao-Horn, la profesora asociada Gail E. Kendall de ingeniería mecánica en el MIT, postdoctorado en Zichuan Xu y Erica Lai '14. El equipo se decidió por el oro como un metal adecuado para combinar con el cobre, principalmente debido a sus conocidas propiedades. (Los investigadores han combinado previamente oro y cobre a escalas mucho mayores, señalando que la combinación evitó que el cobre se oxidara).

Para hacer las nanopartículas, Hamad-Schifferli y sus colegas mezclaron sales que contenían oro en una solución de sales de cobre. Calentaron la solución creando nanopartículas que fusionan cobre con oro. Luego, Xu sometió las nanopartículas a una serie de reacciones, convirtiendo la solución en un polvo que se utilizó para recubrir un pequeño electrodo.

Para probar la reactividad de las nanopartículas, Xu colocó el electrodo en un vaso de precipitados con solución y burbujeó dióxido de carbono en él. Aplicó un pequeño voltaje al electrodo, y midió la corriente resultante en la solución. El equipo razonó que la corriente resultante indicaría qué tan eficientemente reaccionaban las nanopartículas con el gas:si las moléculas de CO2 reaccionaran con sitios en el electrodo, y luego se liberaran para permitir que otras moléculas de CO2 reaccionen con los mismos sitios, la corriente aparecería como se alcanzó un cierto potencial, indicando un "recambio" regular. Si las moléculas monopolizaban los sitios del electrodo, la reacción se ralentizaría, retrasando la aparición de la corriente al mismo potencial.

El equipo finalmente descubrió que el potencial aplicado para alcanzar una corriente estable era mucho menor para las nanopartículas híbridas de cobre y oro que para el cobre puro y el oro, una indicación de que la cantidad de energía requerida para ejecutar la reacción era mucho menor que la requerida cuando se usan nanopartículas. hecho de cobre puro.

Avanzando, Hamad-Schifferli dice que espera observar más de cerca la estructura de las nanopartículas de oro y cobre para encontrar una configuración óptima para convertir el dióxido de carbono. Hasta aquí, el equipo ha demostrado la eficacia de las nanopartículas compuestas de un tercio de oro y dos tercios de cobre, así como dos tercios de oro y un tercio de cobre.

Hamad-Schifferli reconoce que recubrir parcialmente los electrodos a escala industrial con oro puede resultar caro. Sin embargo, ella dice, los ahorros de energía y el potencial de reutilización de tales electrodos pueden equilibrar los costos iniciales.

"Es una compensación, ”, Dice Hamad-Schifferli. “El oro es obviamente más caro que el cobre. Pero si le ayuda a obtener un producto más atractivo como el metano en lugar del dióxido de carbono, y con un menor consumo energético, entonces puede que valga la pena. Si pudiera reutilizarlo una y otra vez, y la durabilidad es mayor debido al oro, eso es una marca en la columna más ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.