Las plantas absorben energía de la luz solar para transformar el dióxido de carbono atmosférico CO 2 en azúcares y luego otros materiales para el crecimiento y las funciones metabólicas.Imitando esta reacción fotoquímica para convertir eficientemente el CO 2 en combustibles y productos químicos de importancia industrial apoyaría un futuro energético sostenible y reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero.
Para realizar tal fotosíntesis artificial, los científicos han estado estudiando sistemas catalíticos compuestos de múltiples componentes que trabajan juntos para impulsar la transferencia de electrones fotoinducidos necesarios para convertir CO 2 en productos ricos en energía. Uno de estos productos es el formiato, una forma de sal de ácido fórmico, un químico orgánico natural hecho de hidrógeno y CO 2 moléculas. La producción de formiato a partir de CO 2 se considera una estrategia atractiva para el almacenamiento a largo plazo de energía solar renovable en forma química.
CO multicomponente 2 los sistemas de conversión generalmente incluyen un fotosensibilizador, un catalizador y un donante de electrones sacrificado en solución. Al absorber la luz, el fotosensibilizador salta a un estado excitado, donde acepta electrones del donante. El catalizador, cuya función es minimizar elbarrera de alta energía para activar CO 2 , una molécula muy estable; luego utiliza estos electrones de alta energía para completar una serie de reacciones.
Para muchos estudios sobre CO fotoquímico 2 conversión utilizando catalizadores moleculares, como los basados en rutenio y otros complejos metálicos, la trietanolamina TEOA es el componente que dona los electrones. O, en algunos casos, TEOA está aceptando un protón ión de hidrógeno cargado positivamente de un producto más eficienteDonante de electrones para garantizar su comportamiento de sacrificio.A pesar del amplio uso de TEOA, gran parte de la investigación hasta la fecha no ha considerado la posibilidad de que este componente desempeñe funciones secundarias, como cambiar las especies químicas temporales intermedias generadas dentro del ciclo catalítico o aumentarlas velocidades de reacción
Un equipo de químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y el Baruch College de la Universidad de Nueva York se propuso cambiar eso.
"Durante los últimos 40 años, la mayoría de los estudios sobre CO 2 los catalizadores de reducción se han centrado en analizar la eficiencia catalítica y la selectividad para el producto final ", dijo Renato Sampaio, investigador asociado en el Grupo de Fotosíntesis Artificial de la División de Química del Laboratorio Brookhaven". Sin embargo, es importante saber si TEOA interactúa y cómo interactúa con élel catalizador durante los pasos intermedios del ciclo catalítico porque estas interacciones pueden influir decisivamente en la eficiencia y la selectividad de la formación del producto ".
Centrándose en un sistema catalítico conocido en una solución de acetonitrilo que consiste en un catalizador de rutenio carbonilo átomo de carbono unido al átomo de oxígeno, un fotosensibilizador a base de rutenio, un donante de electrones común conocido como BIH y TEOA que actúa como un receptor de protonesPara promover el comportamiento sacrificial de BIH, los químicos hicieron algunos descubrimientos sorprendentes. Como informaron en un artículo publicado en línea el 27 de diciembre en el Revista de la Sociedad Americana de Química , TEOA falla en su tarea principal de aceptar eficientemente protones de BIH, lo que limita la actividad catalítica. Sin embargo, TEOA mejora los pasos clave del ciclo catalítico para la conversión de CO 2 para formatear, el producto objetivo.
Por ejemplo, TEOA actúa como una fuente de protones que apoya la formación de un hidruro metálico rutenio unido al hidrógeno que posteriormente interactúa con el CO 2 para formar formiato unido unido a rutenio. Además, TEOA interactúa con CO 2 para formar un "aducto de ion híbrido", una molécula que contiene cargas eléctricas positivas y negativas. Cuando este aducto está presente en solución, el hidruro metálico interactúa con el CO 2 para hacer el formato unido a una velocidad que es seis órdenes de magnitud más rápido que eso sin TEOA. La disociación del formato unido en formato "libre" - que puede ser capturado como el producto final - también es seis órdenes de magnitud más rápidopor TEOA.
Para hacer estas determinaciones, el equipo recopiló datos electroquímicos y espectroscópicos.
"El ciclo catalítico puede generar una gran cantidad de intermedios de reacción", explicó el coautor correspondiente Etsuko Fujita, líder del Grupo de Fotosíntesis Artificial. "El desafío es caracterizarlos mediante técnicas espectroscópicas o electroquímicas".
Primero, el equipo midió los potenciales de reducción del catalizador con qué facilidad el catalizador gana un electrón en presencia y ausencia de TEOA. Luego, caracterizaron las vibraciones espectroscópicas del carbonilo para diferentes formas del catalizador antes y despuésrecibe un electrón. Después de estas mediciones de electroquímica, llevaron a cabo experimentos de espectroscopía infrarroja con resolución temporal en escalas de tiempo de nanosegundos para controlar los intermedios catalíticos en un CO 2 atmósfera
"El carbonilo que está unido al rutenio nos permitió estudiar cada forma intermedia transitoria del catalizador", explicó Sampaio. "El carbonilo es un indicador espectroscópico infrarrojo muy sensible que permanece unido al rutenio durante todo el ciclo catalítico, a diferencia de otras partes del catalizador".el catalizador. Su frecuencia vibratoria, o movimiento atómico, cambia drásticamente a medida que el catalizador acepta un electrón o sufre otros cambios estructurales. Podemos detectar estos cambios y verlos junto con las mediciones electroquímicas para determinar qué especies están presentes ".
En futuros estudios, el equipo explorará alternativas a TEOA que maximizan la capacidad de sacrificio de BIH mientras ofrecen ventajas similares para mejorar el ciclo catalítico.
"Aunque nuestro estudio se centró en una clase específica de catalizadores, creemos firmemente que nuestros hallazgos son ampliamente aplicables en otros sistemas y deben tenerse en cuenta al investigar la reducción catalítica de CO 2 para formatear ", dijo Fujita.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :