Los investigadores de la Universidad de Duke han desarrollado pequeñas nanopartículas que ayudan a convertir el dióxido de carbono en metano utilizando solo la luz ultravioleta como fuente de energía.
Habiendo encontrado un catalizador que puede hacer esta química importante usando luz ultravioleta, el equipo ahora espera desarrollar una versión que funcione con luz solar natural, una bendición potencial para la energía alternativa.
Los químicos han buscado durante mucho tiempo un catalizador eficiente y ligero para impulsar esta reacción, que podría ayudar a reducir los niveles crecientes de dióxido de carbono en nuestra atmósfera al convertirlo en metano, un componente clave para muchos tipos de combustibles.
Las nanopartículas de rodio no solo se hacen más eficientes cuando se iluminan con luz, sino que tienen la ventaja de favorecer fuertemente la formación de metano en lugar de una mezcla igual de metano y productos secundarios indeseables como el monóxido de carbono. Esta fuerte "selectividad" delLa catálisis impulsada por la luz también puede extenderse a otras reacciones químicas importantes, dicen los investigadores.
"El hecho de que pueda usar la luz para influir en una ruta de reacción específica es muy emocionante", dijo Jie Liu, profesor de química de George B. Geller en la Universidad de Duke. "Este descubrimiento realmente avanzará en la comprensión de la catálisis".
El documento aparece en línea el 23 de febrero en Comunicaciones de la naturaleza .
A pesar de ser uno de los elementos más raros de la Tierra, el rodio desempeña un papel sorprendentemente importante en nuestra vida cotidiana. Se utilizan pequeñas cantidades del metal gris plateado para acelerar o "catalizar" una serie de procesos industriales clave, incluidos los que hacendrogas, detergentes y fertilizantes nitrogenados, e incluso juegan un papel importante en la descomposición de contaminantes tóxicos en los convertidores catalíticos de nuestros automóviles.
El rodio acelera estas reacciones con un aumento adicional de energía, que generalmente se presenta en forma de calor porque se produce y absorbe fácilmente. Sin embargo, las altas temperaturas también causan problemas, como acortar la vida útil del catalizador y la síntesis no deseada de productos no deseados.
En las últimas dos décadas, los científicos han explorado formas nuevas y útiles en que la luz puede usarse para agregar energía a pedazos de metal encogidos a la nanoescala, un campo llamado plasmónicos.
"Efectivamente, las nanopartículas de metal plasmónico actúan como pequeñas antenas que absorben la luz visible o ultravioleta de manera muy eficiente y pueden hacer una serie de cosas como generar campos eléctricos fuertes", dijo Henry Everitt, profesor adjunto de física en Duke y científico investigador senior enel Centro de Aviación y Misiles RD&E del Ejército en Redstone Arsenal, AL. "En los últimos años ha habido un reconocimiento de que esta propiedad podría aplicarse a la catálisis".
Xiao Zhang, un estudiante graduado en el laboratorio de Jie Liu, sintetizó nanocubos de rodio que tenían el tamaño óptimo para absorber la luz ultravioleta cercana. Luego colocó pequeñas cantidades de nanopartículas de color carbón en una cámara de reacción y pasó mezclas de dióxido de carbono yhidrógeno a través del material en polvo.
Cuando Zhang calentó las nanopartículas a 300 grados Celsius, la reacción generó una mezcla igual de metano y monóxido de carbono, un gas venenoso. Cuando apagó el calor y en su lugar los iluminó con una lámpara LED ultravioleta de alta potencia, Zhang no estabasolo me sorprendió descubrir que el dióxido de carbono y el hidrógeno reaccionaron a temperatura ambiente, pero que la reacción produjo casi exclusivamente metano.
"Descubrimos que cuando iluminamos las nanoestructuras de rodio, podemos obligar a la reacción química a ir en una dirección más que a otra", dijo Everitt. "Así que podemos elegir cómo va la reacción con la luz de una manera que podamosno se puede hacer con calor "
Esta selectividad, la capacidad de controlar la reacción química para que genere el producto deseado con pocos o ningún producto secundario, es un factor importante para determinar el costo y la viabilidad de las reacciones a escala industrial, dice Zhang.
"Si la reacción tiene solo un 50 por ciento de selectividad, entonces el costo será el doble de lo que sería si el selectivo es casi del 100 por ciento", dijo Zhang. "Y si la selectividad es muy alta, también puede ahorrar tiempo y energíaal no tener que purificar el producto "
Ahora, el equipo planea probar si su técnica de energía luminosa podría generar otras reacciones que actualmente están catalizadas con metal de rodio calentado. Al ajustar el tamaño de las nanopartículas de rodio, también esperan desarrollar una versión del catalizador que funciona conluz solar, creando una reacción de energía solar que podría integrarse en los sistemas de energía renovable.
"Nuestro descubrimiento de la forma única en que la luz puede influir de manera eficiente y selectiva en la catálisis se produjo como resultado de una colaboración continua entre experimentadores y teóricos", dijo Liu. "El grupo del profesor Weitao Yang en el departamento de química de Duke proporcionó ideas teóricas críticas quenos ayudó a comprender lo que estaba sucediendo. Este tipo de análisis se puede aplicar a muchas reacciones químicas importantes, y recién hemos comenzado a explorar este nuevo y emocionante enfoque de la catálisis ".
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Materiales proporcionados por Universidad de Duke . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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