Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab han desarrollado un nuevo electrocatalizador que puede convertir directamente el dióxido de carbono en combustibles y alcoholes multicarbonados utilizando insumos de energía con niveles récord. El trabajo es el último de una ronda de estudios.saliendo de Berkeley Lab abordando el desafío de crear un sistema limpio de fabricación de productos químicos que pueda dar buen uso al dióxido de carbono.
En el nuevo estudio, publicado esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS , un equipo dirigido por el científico de Berkeley Lab, Peidong Yang, descubrió que un electrocatalizador compuesto de nanopartículas de cobre proporcionaba las condiciones necesarias para descomponer el dióxido de carbono para formar etileno, etanol y propanol.
Todos esos productos contienen de dos a tres átomos de carbono, y todos se consideran productos de alto valor en la vida moderna. El etileno es el ingrediente básico utilizado para hacer películas y botellas de plástico, así como tuberías de cloruro de polivinilo PVC. Etanol, comúnmente fabricadoa partir de la biomasa, ya ha establecido su lugar como un aditivo de biocombustibles para la gasolina. Si bien el propanol es un combustible muy eficaz, actualmente es demasiado costoso de fabricar para ser utilizado con ese fin.
Para medir la eficiencia energética del catalizador, los científicos consideran el potencial termodinámico de los productos, la cantidad de energía que se puede obtener en una reacción electroquímica, y la cantidad de voltaje adicional necesario por encima de ese potencial termodinámico para impulsar la reacción avelocidades de reacción suficientes. Ese voltaje adicional se llama sobrepotencial; cuanto menor es el sobrepotencial, más eficiente es el catalizador.
"Ahora es bastante común en este campo fabricar catalizadores que puedan producir productos multicarbonados a partir de CO2, pero esos procesos generalmente operan a altos sobrepotenciales de 1 voltio para alcanzar cantidades apreciables", dijo Yang, científico principal de Berkeley Lab's MaterialsDivisión de Ciencias. "Lo que estamos informando aquí es mucho más desafiante. Descubrimos un catalizador para la reducción de dióxido de carbono que opera a una alta densidad de corriente con un sobrepotencial récord bajo que es aproximadamente 300 milivoltios menos que los electrocatalizadores típicos".
catalizador de cobre tipo cubo
Los investigadores caracterizaron el electrocatalizador en la Fundición Molecular de Berkeley Lab usando una combinación de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y microscopía electrónica de barrido.
El catalizador consistía en esferas de cobre compactas, cada una de aproximadamente 7 nanómetros de diámetro, en capas sobre papel carbón de una manera densamente compactada. Los investigadores descubrieron que durante el muy temprano período de electrólisis, grupos de nanopartículas se fusionaron y transformaron en cubossimilares a nanoestructuras. Las formas en forma de cubo variaron en tamaño de 10 a 40 nanómetros.
"Es después de esta transición que están ocurriendo las reacciones para formar productos multicarbonados", dijo el autor principal del estudio Dohyung Kim, un estudiante graduado en la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab y en el Departamento de Ciencias e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley ". Tratamos decomience con cubos de cobre a nanoescala preformados, pero eso no produjo cantidades significativas de productos multicarbonados. Es este cambio estructural en tiempo real de nanoesferas de cobre a estructuras en forma de cubo lo que está facilitando la formación de hidrocarburos y oxigenados multicarbonados ".
Aún no está claro exactamente cómo está sucediendo eso, dijo Yang, quien también es profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley.
"Lo que sabemos es que esta estructura única proporciona un entorno químico beneficioso para la conversión de CO2 en productos multicarbonados", dijo. "Las formas en forma de cubo y la interfaz asociada pueden proporcionar un lugar de encuentro ideal donde el dióxido de carbono, el agua,y los electrones pueden unirse "
Muchos caminos en el viaje de CO2 a combustible
Este último estudio ejemplifica cómo la reducción de dióxido de carbono se ha convertido en un área cada vez más activa en la investigación energética en los últimos años. En lugar de aprovechar la energía del sol para convertir el dióxido de carbono en alimento vegetal, la fotosíntesis artificial busca utilizar los mismos ingredientes iniciales para producirprecursores químicos comúnmente utilizados en productos sintéticos, así como combustibles como el etanol.
Los investigadores de Berkeley Lab han asumido varios aspectos de este desafío, como controlar el producto que sale de las reacciones catalíticas. Por ejemplo, en 2016, se desarrolló un sistema híbrido de semiconductores y bacterias para la producción de acetato a partir de CO2 yA principios de este año, otro equipo de investigación utilizó un fotocatalizador para convertir el dióxido de carbono casi exclusivamente en monóxido de carbono. Más recientemente, se informó de un nuevo catalizador para la producción efectiva de mezclas de gas de síntesis, o gas de síntesis.
Los investigadores también han trabajado para aumentar la eficiencia energética de la reducción de dióxido de carbono para que los sistemas puedan ampliarse para uso industrial.
Un artículo reciente dirigido por investigadores de Berkeley Lab en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial aprovecha la ciencia fundamental para mostrar cómo la optimización de cada componente de un sistema completo puede lograr el objetivo de la producción de combustible con energía solar con tasas impresionantes de eficiencia energética.
Esto nuevo PNAS el estudio se centra en la eficiencia del catalizador en lugar de en un sistema completo, pero los investigadores señalan que el catalizador puede conectarse a una variedad de fuentes de energía renovables, incluidas las células solares.
"Al utilizar valores ya establecidos para otros componentes, tales como células solares comerciales y electrolizadores, proyectamos eficiencias de energía de electricidad a producto y de energía solar a producto de hasta 24.1 y 4.3 por ciento para productos de dos a tres de carbono,respectivamente ", dijo Kim.
Kim estima que si este catalizador se incorporara a un electrolizador como parte de un sistema de combustible solar, un material de solo 10 centímetros cuadrados podría producir aproximadamente 1.3 gramos de etileno, 0.8 gramos de etanol y 0.2 gramos de propanol por día.
"Con las continuas mejoras en los componentes individuales de un sistema de combustible solar, esos números deberían seguir mejorando con el tiempo", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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