Un equipo de científicos descubrió un catalizador de un solo sitio activado por luz visible que convierte el dióxido de carbono CO 2 en moléculas de "bloque de construcción" que podrían usarse para crear productos químicos útiles.El descubrimiento abre la posibilidad de utilizar la luz solar para convertir un gas de efecto invernadero en combustibles de hidrocarburos.
Los científicos utilizaron la Fuente de luz sincrotrón nacional II, una instalación de usuario de la Oficina de ciencia del Departamento de energía de los EE. UU. En el Laboratorio nacional Brookhaven, para descubrir detalles de la reacción eficiente, que utilizó un solo ion de cobalto para ayudar a reducir la energíabarrera para descomponer el CO 2 . El equipo describe este catalizador de sitio único en un artículo que acaba de publicarse en Revista de la Sociedad Americana de Química .
Conversión de CO 2 en partes más simples - monóxido de carbono CO y oxígeno - tiene aplicaciones valiosas en el mundo real ". Al romper el CO 2 , podemos matar dos pájaros de un tiro: eliminar el CO2 de la atmósfera y crear bloques de construcción para producir combustible ", dijo Anatoly Frenkel, químico con una cita conjunta en Brookhaven Lab y Stony Brook University. Frenkel dirigió el esfuerzo paracomprender la actividad del catalizador, que fue realizado por Gonghu Li, químico físico de la Universidad de New Hampshire.
"Ahora tenemos evidencia de que hemos hecho un catalizador de un solo sitio. Ningún trabajo previo ha informado de CO solar 2 reducción usando un solo ion ", dijo Frenkel.
rompiendo los enlaces que contienen CO 2 juntos requieren mucha energía y mucho tiempo. Entonces, Li se propuso desarrollar un catalizador para reducir la barrera de energía y acelerar el proceso.
"La pregunta es, entre varios catalizadores posibles, que son eficientes y prácticos para implementar en la industria", dijo Frenkel.
Se requiere un ingrediente clave para romper los enlaces de CO 2 es un suministro de electrones. Estos electrones pueden generarse cuando un material conocido como semiconductor se activa por energía en forma de luz. La luz "expulsa" electrones, por así decirlo, haciéndolos disponibles para el catalizador para el químicoreacciones. La luz solar podría ser una fuente natural de dicha luz. Pero muchos semiconductores solo pueden ser activados por la luz ultravioleta, que representa menos del cinco por ciento del espectro solar.
"El desafío es encontrar otro material semiconductor donde la energía de la luz solar natural sea una combinación perfecta para expulsar los electrones", dijo Frenkel.
Los científicos también necesitaban que el semiconductor se uniera a un catalizador hecho de materiales que se pudieran encontrar abundantemente en la naturaleza, en lugar de metales raros y caros como el platino. Y querían que el catalizador fuera lo suficientemente selectivo para impulsar solo la reacción queconvierte CO 2 a CO
"No queremos que los electrones se usen para otras reacciones que no sean la reducción de CO 2 ", dijo Frenkel.
Los iones de cobalto unidos al nitruro de carbono grafítico C3N4, un semiconductor hecho de átomos de carbono, nitrógeno e hidrógeno, cumplían todos los requisitos para estos requisitos.
"Ha habido un interés significativo en el uso de C3N4 como un semiconductor sin metal para captar luz visible e impulsar reacciones químicas", dijo Li. "Los electrones generados por C3N4 bajo irradiación de luz tienen energía lo suficientemente alta como para reducir el CO 2 . Tales electrones a menudo no tienen una vida útil lo suficientemente larga como para permitirles viajar a la superficie del semiconductor para su uso en reacciones químicas. En nuestro estudio, adoptamos una estrategia común y efectiva para construir suficientes electrones energéticos para el catalizador mediante el uso deun donante de electrones sacrificado. Esta estrategia nos permitió centrarnos en la catálisis para el CO 2 reducción. En última instancia, queremos usar moléculas de agua como donador de electrones para nuestra catálisis ", agregó.
Peipei Huang, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Li, hizo el catalizador simplemente depositando iones de cobalto en un material C3N4 hecho de urea disponible comercialmente. El equipo luego examinó exhaustivamente el catalizador sintetizado utilizando una variedad de técnicas en colaboración con Christine Caputo en elUniversidad de New Hampshire y Ronald Grimm en el Instituto Politécnico de Worcester.
El catalizador trabajó en CO 2 reducción bajo irradiación de luz visible.
"Este catalizador hizo lo que se suponía que debía hacer: descomponer el CO 2 y hacer CO con muy buena selectividad en luz visible ", dijo Frenkel." Pero el próximo objetivo era ver por qué funcionó. Si puede entender por qué funciona, puede hacer nuevos y mejores materiales basados en esos principios ".
Entonces, Frenkel y Li hicieron una lluvia de ideas de experimentos que mostrarían la estructura del catalizador con precisión. Los estudios estructurales darían a los científicos información sobre el número de átomos de cobalto, su ubicación en relación con los átomos de carbono y nitrógeno, y otras características que los científicos podrían potencialmenteajustar para tratar de mejorar aún más el catalizador.
recurrieron a la línea de haz de absorción y dispersión rápida de rayos X QAS en NSLS-II para utilizar la espectroscopía de absorción de rayos X. Con la ayuda del científico principal de la línea de haz Steven Ehrlich, el estudiante de Frenkel, Jiahao Huang, tomó los datos y analizó los espectros.
En esta técnica, los rayos X de NSLS-II son absorbidos por los átomos de la muestra, que luego expulsan ondas de electrones. Los espectros muestran cómo estas ondas de electrones interactúan con los átomos circundantes, de forma similar a la forma en que se ondulan en la superficie de la muestra.un lago se altera cuando se encuentran con rocas.
"Para poder realizar la espectroscopía de absorción de rayos X XAS, necesitamos sintonizar y escanear la energía del haz de rayos X que golpea la muestra", dijo Ehrlich. "Cada elemento puede absorber rayos X a energías distintas, llamados bordes de absorción. En la nueva línea de luz QAS podemos escanear la energía de los rayos X a través de la energía del borde de absorción de diferentes elementos, como el cobalto en este caso. Luego medimos el número de fotones absorbidos por la muestra para cada valorde la energía de rayos X "
Además, explicó Frenkel, "cada tipo de átomo produce un tipo diferente de onda electrónica, cuando es excitado por los rayos X, o cuando es golpeado por otras ondas, por lo que el espectro de absorción de rayos X le dice cuáles son los átomos circundantes comoasí como a qué distancia y cuántos hay "
El análisis mostró que el catalizador descompone el CO 2 estaba hecho de iones individuales de cobalto rodeados por todos lados por átomos de nitrógeno.
"No había pares de cobalto-cobalto. Entonces, esto era evidencia de que en realidad eran átomos individuales de cobalto dispersos en la superficie", dijo Frenkel.
"Estos datos también reducen los posibles arreglos estructurales, que proporcionan información para que los teóricos evalúen y comprendan completamente las reacciones", agregó Frenkel.
Aunque la ciencia descrita en el documento aún no se usa de manera práctica, existen muchas posibilidades para las aplicaciones, dijo Frenkel. En el futuro, tales catalizadores de un solo sitio podrían usarse en áreas a gran escala con abundante luz solar para descomponer el excesoCO 2 en la atmósfera, similar a la forma en que las plantas descomponen el CO 2 y reutilizar sus componentes básicos para generar azúcares en el proceso de fotosíntesis. Pero en lugar de producir azúcares, los científicos podrían utilizar los componentes básicos de CO para generar combustibles sintéticos u otros productos químicos útiles.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE y en parte por la National Science Foundation.
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Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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