Investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago y el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial han determinado cómo los electrocatalizadores pueden convertir el dióxido de carbono en monóxido de carbono usando agua y electricidad. El descubrimiento puede conducir al desarrollo de electrocatalizadores eficientes para la producción a gran escala de gas de síntesis- una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno.
"La reducción electroquímica del dióxido de carbono en combustibles es un tema de considerable interés porque ofrece un medio para almacenar electricidad de fuentes de energía como el viento y la radiación solar en forma de enlaces químicos", dijo Meenesh Singh, profesor asistente de químicaingeniero y autor principal del estudio publicado en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Durante su investigación postdoctoral en la Universidad de California, Berkeley, Singh estudió la fotosíntesis artificial y formó parte de un equipo que desarrolló hojas artificiales que, cuando se exponen a la luz solar directa, son capaces de convertir el dióxido de carbono en combustibles.
En su última investigación, Singh desarrolló un modelo multiescala de última generación que une un análisis químico-cuántico de la vía de reacción; un modelo microcinético de la dinámica de la reacción; y un modelo continuo para el transporte de especies en el electrolito aaprenda con precisión cómo se puede reducir electroquímicamente el dióxido de carbono a través de un catalizador, en este caso plata, y convertirlo en monóxido de carbono.
Si bien la vía de reacción más plausible generalmente se identifica a partir del cálculo químico cuántico de la vía de energía libre más baja, este enfoque puede ser engañoso cuando las coberturas de especies adsorbidas difieren significativamente, dijo Singh. Es esencial, por lo tanto, integrar los efectosde estados electrónicos de un catalizador a nivel atómico con la dinámica de las especies en el electrolito a nivel continuo para la predicción precisa de las vías de reacción electrocatalítica.
"Este modelo multiescala es uno de los mayores logros en electroquímica", dijo.
Para comprender cómo funcionan los electrocatalizadores en celdas de combustible o celdas electroquímicas, los científicos primero deben sondear los niveles electrónicos y cuánticos, que pueden ser extremadamente desafiantes en presencia de un campo eléctrico, dijo Jason Goodpaster, profesor asistente de química en la Universidad deMinnesota y uno de los coautores. Singh y Goodpaster tardaron más de un año en producir individualmente y comparar los modelos e integrarlos en un marco multiescala para la simulación a gran escala de la reacción electroquímica.
Esta es la primera vez, dijo Singh, que los científicos han pronosticado cuantitativamente a partir de los primeros principios, la densidad actual de monóxido de carbono e hidrógeno en función del potencial aplicado y la presión del dióxido de carbono.
"Una vez que reconoce cómo se producen estas reacciones en los electrocatalizadores, puede controlar la estructura de los catalizadores y las condiciones de operación para producir monóxido de carbono de manera eficiente", dijo Singh. Dado que son gases producto - el monóxido de carbono y el hidrógeno son insolubles en electrolitos acuosos -- pueden separarse fácilmente como gas de síntesis y convertirse en combustibles como metanol, dimetil éter o una mezcla de hidrocarburos.
Se sabe que los electrocatalizadores como el oro, la plata, el zinc, el paladio y el galio producen mezclas de dióxido de carbono e hidrógeno en varias proporciones dependiendo del voltaje aplicado, dijo Singh. El oro y la plata exhiben la mayor actividad hacia la reducción del dióxido de carbono, y desde entoncesla plata es más abundante y menos costosa que el oro, "la plata es el electrocatalizador más prometedor para la producción a gran escala de monóxido de carbono", dijo.
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Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Chicago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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