Los químicos han desarrollado una estructura a escala nanométrica que combina cobre, oro y plata para funcionar como un catalizador superior en una reacción química cuyo rendimiento mejorado será esencial para que los esfuerzos de captura y utilización de carbono tengan éxito y ayuden a mitigar el calentamiento global.

Un estudio que describe el proceso apareció en la revista Nano Research el 15 de marzo.

Frente al desafío del cambio climático, en los últimos años, los responsables políticos se han centrado cada vez más en la captura y utilización del carbono (CCU), en la que el CO₂ se extrae de la atmósfera y luego se utiliza como materia prima para productos químicos industriales (como monóxido de carbono, ácido fórmico, etileno y etanol) o para la producción de combustibles sintéticos neutros en carbono (especialmente útiles para sectores de transporte difíciles de electrificar). como la aviación y el transporte marítimo de larga distancia). Siempre que este último proceso funcione con electricidad limpia, también ofrece una forma de almacenar energía renovable a largo plazo:el santo grial de superar la intermitencia de opciones energéticas como la eólica y la solar.

Un medio posible de hacer todo esto es a través de una reacción química llamada electroquímica CO₂ reacción de reducción (eCO₂ RR, o simplemente ECR). Esto utiliza electricidad para impulsar la conversión del gas en otras sustancias utilizables mediante la separación de CO₂ átomos de carbono de sus átomos de oxígeno. El agua también puede proporcionar "donantes" de hidrógeno en algunas variedades de ECR donde los átomos de carbono se combinan con hidrógeno para producir varias especies de hidrocarburos o alcoholes.

La clave para ECR es usar el catalizador correcto, o una sustancia química cuya estructura y carga le permitan iniciar o acelerar una reacción química. Se han utilizado varios metales diferentes como catalizadores dependiendo del producto final que se desee. Los catalizadores que emplean un solo tipo de metal incluyen estaño para producir ácido fórmico, plata para monóxido de carbono (CO) y cobre para metano, etileno o etanol.

Sin embargo, el rendimiento del proceso puede verse limitado cuando la ECR compite con la tendencia de los átomos de hidrógeno dentro de la división electroquímica del agua a emparejarse entre sí en lugar de unirse a los átomos de carbono. Esta competencia puede llevar a la producción (o "selección") de un producto químico final diferente al deseado. Como resultado, los químicos llevan mucho tiempo a la caza de catalizadores con una alta "selectividad".

Recientemente, en lugar de usar un solo metal como catalizador, los investigadores recurrieron al uso de heteroestructuras que incorporan dos materiales distintos cuyas propiedades combinadas producen resultados diferentes o superiores a cualquiera de los materiales individuales por sí solos.

Algunas de las heteroestructuras que se han probado para ECR incluyen la combinación de plata y paladio en una formación ramificada ("nanodentritas" de AgPd) y varias otras combinaciones de dos metales en forma de sándwich, tubo, pirámide y otras formas. Los investigadores han tenido un éxito considerable con heteroestructuras bimetálicas que incluyen cobre, que es muy bueno para convertir CO₂ en productos que utilizan dos átomos de carbono. Estas heteroestructuras bimetálicas incluyen plata-cobre (AgCu), zinc-cobre (ZnCu) y oro-cobre (AuCu), y esta última disfruta de un éxito de selectividad particular para el metano, C₂ y monóxido de carbono.

"Pensamos que si dos metales estaban produciendo buenos resultados, quizás tres metales serían aún mejores", dijo Zhicheng Zhang, nanoquímico de la Universidad de Tianjin y coautor del estudio.

Entonces, los investigadores construyeron una nanoestructura trimetálica que combinaba oro, plata y cobre y tenía una forma asimétrica. La forma y la proporción precisa de los tres metales se pueden modificar mediante un método de crecimiento que implica varios pasos. Específicamente, las "nanopirámides" de oro se sintetizan primero y se usan como "semillas" para el crecimiento posterior de varias estructuras trimetálicas que involucran diferentes proporciones de los tres metales.

Descubrieron que, como resultado de la forma única de su diseño de heteroestructura y alterando las proporciones de estos tres metales, podían ajustar cuidadosamente la selectividad hacia diferentes C₂ -productos a base. Producción de etanol (C₂ H₆ O) en particular se maximizó mediante el uso de una heteroestructura con una proporción de alimentación que involucraba un átomo de oro y plata combinados con cinco átomos de cobre.

El trabajo establece una estrategia prometedora para el desarrollo de otros nanomateriales trimetálicos dentro del desarrollo de ECR. + Explora más

Catalizadores superselectivos clave para la conversión de carbono