La electrocatálisis desempeña un papel vital en el desarrollo de tecnologías de energía limpia, eliminación de gases de efecto invernadero y almacenamiento de energía. Un estudio codirigido por investigadores de la City University de Hong Kong (CityU) encontró que los nanotubos de carbono de pared simple son excelentes sustratos para mejorar la conversión de gases de efecto invernadero a través de la curvatura molecular.
Al utilizar estos nanotubos como soporte para inducir tensión en un electrocatalizador, se puede mejorar significativamente la eficiencia de la reducción del dióxido de carbono a metanol.
Este avance abre vías para desarrollar electrocatalizadores moleculares curvos para convertir eficientemente el dióxido de carbono (CO2 ), uno de los principales gases de efecto invernadero, en productos químicos y combustibles útiles, reduciendo así las emisiones de carbono. El trabajo está publicado en la revista Nature Catalysis .
Muchos complejos moleculares, como la ftalocianina de cobalto (CoPc), son catalizadores eficaces del CO2. reacción de reducción (CO2 RR). Sin embargo, reducen principalmente el CO2 al venenoso monóxido de carbono (CO), sin generar más una cantidad sustancial de productos útiles, como el metanol. "Por lo tanto, queremos explorar el potencial del CoPc más allá de la producción de CO", afirmó el profesor Ye Ruquan, del Departamento de Química de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU), quien dirigió la investigación.
Al mismo tiempo, se sabe que la deformación afecta las propiedades de los materiales bidimensionales, que a menudo están en la escala de nanómetros (nm). "El uso de sustratos o soportes curvos para inducir tensiones locales está bien establecido para modular las propiedades de los materiales en capas convencionales", explicó el profesor Ye.
"Pero el control racional de la tensión de las moléculas planas es un desafío debido a su tamaño ultra pequeño. Y aún no se comprende bien cómo afecta la tensión a las propiedades moleculares".
Junto con sus colaboradores, el profesor Ye dirigió un equipo de investigación para investigar la reactividad de los catalizadores moleculares de CoPc a escala nanométrica mediante la adopción de ingeniería de deformación inducida por soporte. Introdujeron con éxito una tensión controlada en moléculas de menos de 2 nm del catalizador utilizando nanotubos de carbono de pared simple como soporte.
La curvatura de los nanotubos debido a las interacciones moleculares induce tensión en las moléculas catalíticas, lo que resulta en flexión. El uso de sustratos de nanotubos de carbono con diferentes diámetros les permite ajustar el ángulo de flexión de las moléculas de CoPc que van desde 96° (para nanotubos de carbono de 1 nm de diámetro) a 1,5° (para nanotubos de carbono de 100 nm de diámetro).
En comparación con las moléculas planas tradicionales, las moléculas curvas exhibieron un rendimiento electrocatalítico mejorado. Mostraron una mayor selectividad por el CO2 reducción, favoreciendo la producción de metanol frente a monóxido de carbono.
En un electrolizador de flujo en tándem con CoPc monodisperso sobre nanotubos de carbono de pared simple para CO2 reducción, el equipo logró una densidad de corriente parcial de metanol de más de 90 mA cm −2 con más del 60% de selectividad, lo que significa que el CO2 total La eficiencia de conversión de metanol es del 60%. Esta es una mejora significativa con respecto a los métodos existentes.
Su análisis basado en cálculos teóricos confirmó que el CoPc curvado en los nanotubos de carbono de pared simple mejoraba la unión del CO, permitiendo la consiguiente reducción del monóxido de carbono. Por el contrario, los nanotubos de carbono anchos y de paredes múltiples favorecen la liberación de CO.
"Nuestros hallazgos muestran que los nanotubos de carbono son materiales de soporte excepcionales para catalizadores como el CoPc. Las grandes superficies específicas de los nanotubos de carbono dispersan fácilmente las nanopartículas, evitando la aglomeración, y su alta conductividad electrónica los hace prometedores para aplicaciones electroquímicas", afirmó el profesor Ye. P>
"Más importante aún, demostramos que inducir distorsión molecular a través de nanotubos de carbono de pared simple proporciona una estrategia para diseñar electrocatalizadores moleculares de alto rendimiento. Este avance es prometedor para lograr la neutralidad de carbono, ya que puede almacenar CO2 y la electricidad renovable como energía química", concluyó.
Más información: Jianjun Su et al, Strain mejora la actividad de electrocatalizadores moleculares a través de soportes de nanotubos de carbono, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01005-3
Información de la revista: Catálisis de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad de la ciudad de Hong Kong
