Durante décadas, los científicos han buscado formas efectivas de eliminar el exceso de emisiones de dióxido de carbono del aire y reciclarlas en productos como combustibles renovables. Pero el proceso de convertir el dióxido de carbono en productos químicos útiles es tedioso, costoso y derrochador, y por lo tantono económica ni ambientalmente viable.
Ahora, un descubrimiento realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. Laboratorio Berkeley y el Centro Conjunto de Fotosíntesis Artificial JCAP muestra que reciclar dióxido de carbono en productos químicos y combustibles valiosos puede ser económico y eficiente, todo a través de uncatalizador de cobre único.
El trabajo aparece en la edición del 17 de diciembre de la revista Catálisis de la naturaleza .
Ir a donde está la acción: sitios activos específicos del producto
Cuando toma una pieza de metal de cobre, puede sentirse suave al tacto, pero a nivel microscópico, la superficie está realmente irregular, y estos golpes son lo que los científicos llaman "sitios activos", dijo Joel Ager, investigadoren JCAP que dirigió el estudio. Ager es científico del personal de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor adjunto en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley.
Estos sitios activos son donde tiene lugar la magia de la electrocatálisis: los electrones de la superficie de cobre interactúan con dióxido de carbono y agua en una secuencia de pasos que los transforma en productos como combustible de etanol; etileno, el precursor de las bolsas de plástico; y propanol,un alcohol comúnmente usado en la industria farmacéutica.
Desde la década de 1980, cuando se descubrió el talento del cobre para convertir carbono en varios productos útiles, siempre se supuso que sus sitios activos no eran específicos del producto; en otras palabras, se podía usar el cobre como catalizador para producir etanol, etileno, propanol o algún otro químico a base de carbono, pero tendría que seguir muchos pasos para separar los químicos residuales no deseados formados durante las etapas intermedias de una reacción química antes de llegar a su destino final: el extremo químico-producto.
"El objetivo de la química 'verde' o sostenible es obtener el producto que desea durante la síntesis química", dijo Ager. "No desea separar las cosas que no desea de los productos deseables, porque eso es costoso yambientalmente indeseable. Y ese gasto y desperdicio reduce la viabilidad económica de los combustibles solares a base de carbono ".
Entonces, cuando Ager y el coautor Yanwei Lum, que era estudiante de doctorado en la Universidad de Berkeley en el laboratorio de Ager en el momento del estudio, estaban investigando las propiedades catalíticas del cobre para un proyecto de combustibles solares, se preguntaron: "¿Qué pasaría si,como la fotosíntesis en la naturaleza, ¿podríamos usar electrones de las células solares para conducir sitios activos específicos de un catalizador de cobre para hacer una corriente de producto puro de un combustible o químico a base de carbono? ", dijo Ager.
Rastreando los orígenes de un químico a través de su 'pasaporte'
Estudios previos habían demostrado que el cobre "oxidado" u oxidado es un excelente catalizador para producir etanol, etileno y propanol. Los investigadores teorizaron que si los sitios activos en el cobre fueran realmente específicos del producto, podrían rastrear los orígenes de los químicos a través del carbonoisótopos, "como un pasaporte con sellos que nos dicen qué países visitaron", dijo Ager.
"Cuando pensamos en el experimento, pensamos que esta es una idea tan obvia, que sería una locura intentarlo", dijo Ager. "Pero no podíamos dejarlo ir, porque también pensamos que funcionaría, ya que nuestra investigación previa con isótopos nos había permitido descubrir nuevas vías de reacción ".
Entonces, durante los próximos meses, Lum y Ager realizaron una serie de experimentos utilizando dos isótopos de carbono, carbono-12 y carbono-13, como "sellos de pasaporte". El dióxido de carbono fue etiquetado con carbono-12 y monóxido de carbono -- un intermediario clave en la formación de enlaces carbono-carbono - fue marcado con carbono 13. De acuerdo con su metodología, los investigadores razonaron que la proporción de carbono-13 versus carbono-12 encontrada en un producto determinaría a partir de qué sitios activosel producto químico originado.
Después de que Lum realizó docenas de experimentos y utilizó espectrometría de masas de última generación y espectroscopía de RMN resonancia magnética nuclear en JCAP para analizar los resultados, descubrieron que tres de los productos etileno, etanol y propanol- tenía diferentes firmas isotópicas que mostraban que provenían de diferentes sitios en el catalizador ". Este descubrimiento motiva el trabajo futuro para aislar e identificar estos diferentes sitios", dijo Lum. "Poner estos sitios específicos del producto en un solo catalizador podría algún día resultar enuna generación muy eficiente y selectiva de productos químicos ", dijo Lum.
Días más verdes por delante para la fabricación de productos químicos
La nueva metodología de los investigadores, lo que Ager describe como "química directa con un giro ambiental y económico", es el comienzo de lo que esperan que sea un nuevo comienzo para la fabricación de productos químicos verdes, donde una célula solar podría alimentar electrones parasitios activos específicos dentro de un catalizador de cobre para optimizar la producción de combustibles de etanol.
"Quizás algún día esta tecnología podría permitir tener algo así como una refinería de petróleo, pero alimentada por el sol, eliminando el dióxido de carbono de la atmósfera y creando una corriente de productos útiles", 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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