Los científicos están un paso más cerca de construir un sistema de reciclaje de carbono que pueda recolectar energía solar para convertir CO de manera eficiente 2 y el agua en combustibles líquidos. Al optimizar muchas partes del sistema, dicen los investigadores, ahora pueden impulsar reacciones químicas de dos electrones, un avance sustancial sobre las reacciones de un electrón, que son ineficientes en energía.
La investigación, reportada en la revista Química de la naturaleza , ayudará a aquellos que esperan encontrar una manera de convertir el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera en fuentes de energía útiles, dijo el profesor de química de la Universidad de Illinois, Prashant Jain, quien dirigió la nueva investigación.
"Los científicos a menudo buscan en las plantas una idea de los métodos para convertir la luz solar, el dióxido de carbono y el agua en combustibles", dijo.
Cuando la energía solar golpea las hojas de las plantas, excita los electrones en la clorofila. Esos electrones excitados finalmente conducen la química que transforma el dióxido de carbono y el agua en glucosa.
"Muchas de estas reacciones químicas son reacciones multiprotón, multielectrón", dijo Jain.
Pero en lugar de depender de pigmentos vegetales biodegradables para convertir la energía de la luz en energía química, los científicos están recurriendo a algo mejor: catalizadores metálicos ricos en electrones como el oro, que a intensidades de luz y longitudes de onda específicas pueden transferir electrones y protones fotoexcitados a reactivos sin serdegradado o usado
"En nuestro estudio, utilizamos partículas esféricas de oro que tienen un tamaño de 13 a 14 nanómetros", dijo Jain. "Las nanopartículas tienen propiedades ópticas únicas, dependiendo de su tamaño y forma".
Cuando se recubre con un polímero y se suspende en agua, por ejemplo, las nanopartículas absorben luz verde y reflejan un color rojo intenso. Bajo la excitación de la luz, las nanopartículas transfieren electrones a las moléculas de sonda, que luego cambian de color. Esto permite a los científicos medir cómoeficientemente las reacciones de transferencia de electrones están teniendo lugar.
"Los investigadores han logrado en el pasado usar fotoquímica y estos materiales absorbentes de luz para transferir un electrón a la vez", dijo Jain. "Pero en el nuevo estudio, hemos identificado los principios, reglas y condiciones bajo las cuales unel catalizador de nanopartículas de metal puede transferir dos electrones a la vez "
Al variar la intensidad de la luz láser utilizada en los experimentos, Jain y sus colegas descubrieron que entre cuatro y cinco veces la intensidad de la energía solar, las nanopartículas de oro en el sistema podían transferir hasta dos electrones a la vez de etanol a unsonda ávida de electrones.
Las reacciones de dos electrones son mucho más preferibles que las reacciones de un electrón, dijo Jain.
"Necesitas un par de electrones para hacer un enlace entre los átomos", dijo. "Cuando no proporcionas un par de electrones, y un par de protones para neutralizar la pérdida de electrones, terminas formandoradicales libres, que son altamente reactivos y pueden reaccionar de nuevo, desperdiciando la energía que usó para crearlos. También pueden reaccionar con otros productos químicos o destruir su catalizador ".
Jain también concluyó que los experimentos recientes que realizó su laboratorio usando el mismo sistema también implicaban transferencias de múltiples electrones y multiprotones. En esos experimentos, su laboratorio convirtió CO 2 al etano, un compuesto de dos carbonos que es más rico en energía que el metano, que contiene un solo carbono. Jain y sus colegas esperan generar eventualmente propano, que tiene una estructura principal de tres carbonos, y butano, que tiene cuatro.
"Desde el punto de vista de la química, es interesante entender las reglas para unir átomos de carbono", dijo Jain. "Transfiriendo más de un electrón a la vez, activando más de una molécula de dióxido de carbono a la vez en la superficiedel catalizador de nanopartículas nos puede dar acceso a hidrocarburos superiores "
Si bien los nuevos hallazgos representan un importante paso adelante, se debe hacer mucho más trabajo antes de que esta tecnología esté lista para ser utilizada y ampliada para enfrentar los desafíos actuales, dijo Jain.
"Todavía queda un largo camino por recorrer. Creo que necesitaremos al menos una década para encontrar CO práctico 2 secuestro, CO 2 fijación, tecnologías de formación de combustible que son económicamente viables ", dijo." Pero cada percepción del proceso mejora el ritmo al que la comunidad de investigación puede avanzar ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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