A medida que se acelera la necesidad de mitigar el cambio climático, los científicos están tratando de encontrar nuevas formas de reducir las emisiones de dióxido de carbono. Un proceso, llamado reducción electroquímica o electrólisis, usa electricidad y un catalizador para convertir el dióxido de carbono en productos orgánicos que pueden usarse de otras maneras. A diferencia de la conversión entre agua e hidrógeno, el reciclaje químico del dióxido de carbono puede producir varios productos utilizables porque el carbono puede desarrollar una gran variedad de estructuras orgánicas.

Una forma de lograr la reducción electroquímica del dióxido de carbono utiliza piezas muy pequeñas de cobre. Si bien se sabe que el metal de cobre a granel convierte el dióxido de carbono en varias moléculas orgánicas, estas pequeñas piezas de cobre pueden mejorar aún más la actividad catalítica, no solo por el aumento de su área de superficie, sino también por la estructura electrónica única del cobre que surgió del nanodimensionamiento.

En un artículo publicado en Chemical Communications el 23 de junio, los investigadores explican un proceso para mejorar la forma en que los nanocubos de cobre convierten el dióxido de carbono, mejorando su selectividad. La selectividad se refiere a la capacidad de un catalizador para producir un producto deseado sobre subproductos no deseados.

"Los desarrollos recientes en la reducción de dióxido de carbono utilizando electrocatalizadores de cobre pueden convertir el gas en hidrocarburos y alcohol, pero la selectividad de varios electrocatalizadores relacionados con el cobre desarrollados hasta ahora aún es esquiva, porque tienden a perder actividad a través de la reorganización estructural durante la catálisis", dijo. Shoko Kume, profesor asociado de la Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima en Japón.

Los investigadores descubrieron que este problema se puede resolver haciendo crecer una capa orgánica encima de los nanocubos. Primero, se agregaron un par de monómeros al nanocubo de óxido de cobre. Estos monómeros fueron atados por la química al óxido de cobre y una capa orgánica uniforme creció en la superficie de los cubos.

Esta nueva capa orgánica ayuda a mejorar la selectividad de reducción del dióxido de carbono, en parte porque el dióxido de carbono tiene poca solubilidad y la capa orgánica que produjeron los investigadores tiene propiedades hidrofóbicas, lo que significa que repele el exceso de agua, a partir del cual se produce hidrógeno no deseado. "La envoltura mejoró la reducción de dióxido de carbono del cobre debajo de esta capa orgánica al suprimir la evolución de hidrógeno y también mantuvo la estructura cúbica durante toda la operación del catalizador", dijo Kume.

Otro factor importante para mejorar la calidad de la capa orgánica fue la temperatura al momento del crecimiento, encontrándose los mejores resultados a temperatura ambiente. En las mejores condiciones, la capa es plana con un espesor de varias moléculas. Incluso la capa delgada permea fácilmente el dióxido de carbono y permite que el cobre envuelto se someta a electrorreducción, protegiendo los metales y ayudando a que los cubos conserven su forma.

Actualmente, los nanocubos de cobre no se adoptan ampliamente como método para la reducción de dióxido de carbono porque son inestables y no tienen el nivel de selectividad necesario para reciclar efectivamente el dióxido de carbono en otros productos químicos. Los hallazgos de este artículo destacan un nuevo método para crear un electrocatalizador utilizando nanocubos de cobre que pueden resolver algunos de estos problemas. Los investigadores también señalan que el método puede modificarse para controlar tanto la selectividad como mejorar el funcionamiento de los catalizadores.

"Nuestro método actual puede introducir una gran variedad de estructuras orgánicas dentro de la capa, que pueden participar en el proceso de reducción de dióxido de carbono para controlar su selectividad y eficiencia", dijo Kume. "También se puede usar para controlar el comportamiento dinámico de las especies de metales durante la catálisis, lo que puede desarrollar catalizadores con una vida útil prolongada y tolerancia a las impurezas". + Explora más

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