18.03.2022 - Tsinghua University

La nanoestructura de cobre-plata-oro da un impulso a la captura y utilización del carbono

"Pensamos que si dos metales daban buenos resultados, quizá tres metales serían aún mejores"

Los químicos han desarrollado una estructura a escala nanométrica que combina cobre, oro y plata para funcionar como un catalizador superior en una reacción química cuyo rendimiento mejorado será esencial para que los esfuerzos de captura y utilización del carbono contribuyan a mitigar el calentamiento global.

Ante el reto del cambio climático, en los últimos años los responsables políticos se han centrado cada vez más en la captura y utilización de carbono (CCU), en la queel CO2 se extrae de la atmósfera y se utiliza como materia prima para productos químicos industriales (como el monóxido de carbono, el ácido fórmico, el etileno y el etanol) o para la producción de combustibles sintéticos neutros en carbono (especialmente útiles para los sectores del transporte difíciles de electrificar, como la aviación y el transporte marítimo de larga distancia). Siempre que este último proceso se alimente de electricidad limpia, también ofrece una forma de almacenar energía renovable a largo plazo, el santo grial para superar la intermitencia de opciones energéticas como la eólica y la solar.

Una posible forma de hacer todo esto es mediante una reacción química llamada reacción electroquímica de reducción deCO2 (eCO2RR, o simplemente ECR). En ella se utiliza la electricidad para impulsar la conversión del gas en otras sustancias utilizables, separando los átomos de carbono delCO2de sus átomos de oxígeno. El agua también puede proporcionar "donantes" de hidrógeno en algunas variedades de ECR en las que los átomos de carbono se combinan con el hidrógeno para producir diversas especies de hidrocarburos o alcoholes.

La clave de la ECR es utilizar el catalizador adecuado, es decir, la sustancia química cuya estructura y carga le permite iniciar o acelerar una reacción química. Se han utilizado diferentes metales como catalizadores en función del producto final deseado. Los catalizadores que emplean un solo tipo de metal incluyen el estaño para producir ácido fórmico, la plata para el monóxido de carbono (CO) y el cobre para el metano, el etileno o el etanol.

Sin embargo, el rendimiento del proceso puede verse limitado cuando la ECR compite con la tendencia de los átomos de hidrógeno dentro de la división electroquímica del agua a emparejarse con ellos mismos en lugar de unirse con los átomos de carbono. Esta competencia puede conducir a la producción (o "selección") de un producto químico final diferente al deseado. Por ello, los químicos llevan mucho tiempo buscando catalizadores con alta "selectividad".

Recientemente, en lugar de utilizar un solo metal como catalizador, los investigadores han recurrido al uso de heteroestructuras que incorporan dos materiales distintos cuyas propiedades combinadas producen resultados diferentes o superiores a cualquiera de los materiales por separado.

Algunas de las heteroestructuras que se han probado para la ECR son la combinación de plata y paladio en forma de rama (nanodentritas de AgPd) y otras combinaciones de dos metales en forma de sándwich, tubo, pirámide y otras formas. Los investigadores han tenido un éxito considerable con las heteroestructuras bimetálicas que incluyen cobre, que es muy bueno para convertirel CO2 en productos que utilizan dos átomos de carbono. Estas heteroestructuras bimetálicas incluyen la plata-cobre (AgCu), el zinc-cobre (ZnCu) y el oro-cobre (AuCu), y esta última ha tenido un éxito especial en la selectividad del metano, el C2 y el monóxido de carbono.

"Pensamos que si dos metales daban buenos resultados, tal vez tres serían aún mejores", explica Zhicheng Zhang, nanoquímico de la Universidad de Tianjin y coautor del estudio.

Así que los investigadores construyeron una nanoestructura trimetálica que combinaba oro, plata y cobre y tenía una forma asimétrica. La forma y la proporción exacta de los tres metales pueden modificarse mediante un método de crecimiento que implica múltiples pasos. En concreto, primero se sintetizan "nanopirámides" de oro y se utilizan como "semillas" para el posterior crecimiento de varias estructuras trimetálicas que implican diferentes proporciones de los tres metales.

Descubrieron que, gracias a la forma única de su diseño de heteroestructura y a la alteración de las proporciones de estos tres metales, podían ajustar cuidadosamente la selectividad hacia diferentes productos basados en C2. La producción de etanol (C2H6O), en particular, se maximizó utilizando una heteroestructura con la proporción de alimentación que incluía un átomo de oro y otro de plata combinados con cinco átomos de cobre.

El trabajo establece una estrategia prometedora para el desarrollo de otros nanomateriales trimetálicos dentro del desarrollo de la ECR.

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