Los científicos han buscado durante mucho tiempo formas de convertir CO abundante 2 a productos útiles como productos químicos y combustibles. Ya en 1869, pudieron convertir CO electrocatalíticamente 2 al ácido fórmico. Durante las últimas dos décadas, el aumento de CO 2 en la atmósfera de la Tierra se ha acelerado significativamente la investigación en CO 2 conversión utilizando recursos de energía renovable, incluida la solar, eólica y mareomotriz. Debido a que estos recursos son intermitentes, el sol no brilla todos los días ni el viento sopla constantemente, cómo almacenar energía renovable de manera segura y rentablees un gran desafío.
Investigación reciente en CO electrocatalítico 2 la conversión señala el camino para usar CO 2 como materia prima y electricidad renovable como suministro de energía para la síntesis de diferentes tipos de combustibles y productos químicos de valor agregado como etileno, etanol y propano. Pero los científicos aún no comprenden ni siquiera el primer paso de estas reacciones: CO 2 activación o transformación del CO lineal 2 molécula en la superficie del catalizador al aceptar el primer electrón. Conociendo la estructura exacta del CO activado 2 es esencial porque su estructura dicta tanto el producto final de la reacción como su costo de energía. Esta reacción puede comenzar desde muchos pasos iniciales y pasar por muchas vías, dando típicamente una mezcla de productos. Si los científicos averiguan cómo funciona el proceso,estarán en mejores condiciones de promover o inhibir selectivamente ciertas vías, lo que conducirá al desarrollo de un catalizador comercialmente viable para esta tecnología.
Los investigadores de Columbia Engineering anunciaron hoy que resolvieron la primera pieza del rompecabezas; han demostrado que el CO 2 la electrorreducción comienza con un intermedio común, no dos como se pensaba comúnmente. Ellos aplicaron un conjunto completo de métodos experimentales y teóricos para identificar la estructura del primer intermedio de CO 2 electrorreducción: carboxilato CO 2 ? Que está adherido a la superficie con átomos de C y O. Su avance, publicado en línea hoy en PNAS , se obtuvo mediante la aplicación de dispersión Raman mejorada en la superficie SERS en lugar de la espectroscopia infrarroja mejorada en la superficie SEIRAS más utilizada. Los resultados espectroscópicos fueron corroborados por modelos químicos cuánticos.
"Nuestros hallazgos sobre el CO 2 la activación abrirá la puerta a una gama increíblemente amplia de posibilidades: si podemos entender completamente el CO 2 electrorreducción, podremos reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles, contribuyendo a la mitigación del cambio climático ", dice la autora principal del artículo, Irina Chernyshova, científica investigadora asociada, departamento de ingeniería ambiental y de la tierra." Además, nuestroconocimiento del CO 2 la activación en la interfaz sólido-agua permitirá a los investigadores modelar mejor los escenarios prebióticos del CO 2 a moléculas orgánicas complejas que pueden haber dado lugar al origen de la vida en nuestro planeta ".
Decidieron usar SERS en lugar de SEIRAS para sus observaciones porque encontraron que SERS tiene varias ventajas significativas que permiten una identificación más precisa de la estructura del intermedio de reacción. Lo más importante es que los investigadores pudieron medir los espectros vibratorios de las especies formadasen la interfaz electrodo-electrolito a lo largo de todo el rango espectral y en un electrodo operativo en operandi. Usando simulaciones químicas cuánticas y métodos electroquímicos convencionales, los investigadores pudieron obtener el primer vistazo detallado de cómo el CO 2 se activa en la interfaz electrodo-electrolito.
Comprender la naturaleza del primer intermedio de reacción es un paso crítico hacia la comercialización del CO electrocatalítico 2 conversión a productos químicos útiles. Crea una base sólida para pasar del paradigma de prueba y error al diseño racional de catalizadores. "Con este conocimiento y poder computacional", dice el coautor del artículo Sathish Ponnurangam, un ex estudiante de posgradoy postdoctorado en el laboratorio de Somasundaran, quien ahora es profesor asistente de ingeniería química y petrolera en la Universidad de Calgary, Canadá, "los investigadores podrán predecir con mayor precisión la reacción en diferentes catalizadores y especificar los más prometedores, que se pueden sintetizar aún másy probado. "
"Los experimentos de Columbia Engineering proporcionan tal detalle que deberíamos poder obtener una validación muy definitiva de los modelos computacionales", dice William Goddard, profesor Charles y Mary Ferkel de Química, Ciencia de Materiales y Física Aplicada en CalTech, quien no fueinvolucrados con el estudio ". Espero que junto con nuestra teoría, los experimentos de Columbia Engineering proporcionen mecanismos precisos que se establezcan y que el examen de cómo cambian los mecanismos para diferentes aleaciones, estructuras de superficie, electrolitos, aditivos, debería permitir la optimización de los electrocatalizadores paraescupir agua combustibles solares, CO 2 reducción a combustibles y materias primas orgánicas, reducción de N2 a NH3 para obtener fertilizantes mucho menos costosos, todos los problemas clave que enfrenta la sociedad para obtener la energía y los alimentos para acomodar a nuestra creciente población ".
La electrocatálisis y la fotocatálisis la llamada fotosíntesis artificial se encuentran entre las formas más prometedoras de lograr un almacenamiento eficaz de energía renovable. CO 2 la electrorreducción ha capturado la imaginación de los investigadores durante más de 150 años debido a su similitud con la fotosíntesis. Así como una planta convierte la luz solar en energía química, un catalizador convierte los electrones suministrados por la energía renovable en energía química que se almacena en productos reducidos deCO 2 . Además de su aplicación para energía renovable, la tecnología de electrocatálisis también puede permitir misiones y colonias tripuladas a Marte al proporcionar combustible para el viaje de regreso y productos químicos carbonosos del CO 2 que constituye el 95 por ciento de la atmósfera de ese planeta.
"Esperamos que nuestros hallazgos y metodología estimulen el trabajo sobre cómo hacer que sea más rápido y con un menor costo de energía, no solo el CO electrocatalítico sino también fotocatalítico 2 reducción ", dice Ponisseril Somasundaran, profesor de LaVon Duddleson Krumb de Ingeniería Mineral, Departamento de Ingeniería de la Tierra y el Medio Ambiente." En el último caso, un catalizador reduce el CO 2 usando luz solar directa. A pesar de que estos dos enfoques son experimentalmente diferentes, son microscópicamente similares; ambos comienzan con la activación de CO 2 tras la transferencia de electrones desde la superficie de un catalizador. En este punto, creo que ambos enfoques dominarán el futuro ".
¿El equipo ahora está trabajando para descubrir los pasos de reacción posteriores? Para ver cómo el CO 2 ¿se transforma aún más? Y para desarrollar catalizadores superiores basados en elementos abundantes en la tierra como Cu cobre y Sn estaño.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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