Imagine si el dióxido de carbono CO 2 podría convertirse fácilmente en energía utilizable.Cada vez que respira o conduce un vehículo motorizado, produciría un ingrediente clave para generar combustibles.Al igual que la fotosíntesis en las plantas, podríamos convertir CO 2 en moléculas que son esenciales para la vida cotidiana. Ahora, los científicos están un paso más cerca.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE son parte de una colaboración científica que ha identificado un nuevo electrocatalizador que convierte eficientemente el CO 2 al monóxido de carbono CO, una molécula altamente energética. Sus hallazgos fueron publicados el 1 de febrero en Energía y ciencias ambientales .
"Hay muchas formas de usar CO", dijo Eli Stavitski, científico de Brookhaven y autor del artículo. "Puede reaccionar con agua para producir hidrógeno gaseoso rico en energía, o con hidrógeno para producir químicos útiles,como hidrocarburos o alcoholes. Si hubiera una ruta sostenible y rentable para transformar CO 2 para CO, beneficiaría mucho a la sociedad ".
Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de convertir CO 2 al CO, pero los electrocatalizadores tradicionales no pueden iniciar efectivamente la reacción. Esto se debe a que una reacción competitiva, llamada reacción de evolución de hidrógeno HER o "división del agua", tiene prioridad sobre el CO 2 reacción de conversión
Algunos metales nobles, como el oro y el platino, pueden evitar ELLA y convertir CO 2 para CO; sin embargo, estos metales son relativamente raros y demasiado caros para servir como catalizadores rentables. Por lo tanto, para convertir CO 2 al CO de una manera rentable, los científicos usaron una forma completamente nueva de catalizador. En lugar de nanopartículas de metales nobles, usaron átomos individuales de níquel.
"El metal de níquel, a granel, rara vez ha sido seleccionado como un candidato prometedor para convertir CO 2 a CO ", dijo Haotian Wang, un becario de Rowland en la Universidad de Harvard y el autor correspondiente en el documento." Una razón es que lo hace muy bien y reduce el CO 2 selectividad de reducción dramáticamente. Otra razón es porque su superficie puede ser fácilmente envenenada por las moléculas de CO si se produce alguna ".
Sin embargo, los átomos individuales de níquel producen un resultado diferente.
"Los átomos individuales prefieren producir CO, en lugar de realizar el HER competidor, porque la superficie de un metal a granel es muy diferente de los átomos individuales", dijo Stavitski.
Klaus Attenkofer, también científico de Brookhaven y coautor del artículo, agregó: "La superficie de un metal tiene un potencial de energía: es uniforme. Mientras que en un solo átomo, cada lugar de la superficie tiene un diferentetipo de energía "
Además de las propiedades energéticas únicas de átomos individuales, el CO 2 la reacción de conversación fue facilitada por la interacción de los átomos de níquel con una lámina de grafeno circundante. Anclar los átomos al grafeno permitió a los científicos sintonizar el catalizador y suprimir ELLA.
Para ver más de cerca los átomos de níquel individuales dentro de la lámina de grafeno atómicamente delgada, los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido STEM en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN de Brookhaven, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE.sonda electrónica sobre la muestra, los científicos pudieron visualizar átomos discretos de níquel en el grafeno.
"Nuestro microscopio electrónico de transmisión de última generación es una herramienta única para ver características extremadamente pequeñas, como átomos individuales", dijo Sooyeon Hwang, científico de CFN y coautor del artículo.
"Los átomos individuales generalmente son inestables y tienden a agregarse en el soporte", agregó Dong Su, también científico de CFN y coautor del artículo. "Sin embargo, descubrimos que los átomos individuales de níquel se distribuían uniformemente, lo que explicabael excelente rendimiento de la reacción de conversión "
Para analizar la complejidad química del material, los científicos utilizaron la línea de luz 8-ID en la Fuente de luz nacional de sincrotrón II NSLS-II, también una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Brookhaven.la luz de rayos en NSLS-II permitió a los científicos "ver" una vista detallada de la estructura interna del material.
"Los fotones, o partículas de luz, interactúan con los electrones en los átomos de níquel para hacer dos cosas", dijo Stavitski. "Ellos envían los electrones a estados de mayor energía y, al mapear esos estados de energía, podemos entender la configuración electrónicay el estado químico del material. A medida que aumentamos la energía de los fotones, expulsan los electrones de los átomos e interactúan con los elementos vecinos. "En esencia, esto proporcionó a los científicos una imagen de la estructura local de los átomos de níquel.
En base a los resultados de los estudios en Harvard, NSLS-II, CFN e instituciones adicionales, los científicos descubrieron que los átomos de níquel individuales catalizaron el CO 2 reacción de conversión con una eficiencia máxima del 97 por ciento. Los científicos dicen que este es un paso importante hacia el reciclaje de CO 2 para energía y productos químicos utilizables
"Para aplicar esta tecnología a aplicaciones reales en el futuro, nuestro objetivo actual es producir este catalizador de átomo único de una manera barata y a gran escala, mientras mejoramos su rendimiento y mantenemos su eficiencia", dijo Wang.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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