17.05.2022 - Tokyo Institute of Technology

Convertir el exceso de CO₂ atmosférico en productos químicos ricos en energía

Luces, catalizador, ¡reacción! Conversión de CO₂ en ácido fórmico mediante un compuesto a base de hierro con soporte de alúmina

La fotorreducción delCO2 en combustible transportable, como el ácido fórmico (HCOOH), es una buena manera de hacer frente a los crecientes niveles deCO2en la atmósfera. Para ayudar en esta misión, un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Tokio eligió un mineral basado en el hierro fácilmente disponible y lo cargó en un soporte de alúmina para desarrollar un catalizador que puede convertir eficazmenteel CO2 en HCOOH con una selectividad de ~90%.

El aumento de los niveles deCO2 en nuestra atmósfera y su contribución al calentamiento global es ya una noticia habitual. A medida que los investigadores experimentan con diferentes formas de combatir este problema, ha surgido una solución eficiente: convertir el exceso deCO2 atmos férico en productos químicos ricos en energía.

La producción de combustibles como el ácido fórmico (HCOOH) mediante la fotorreducción delCO2 bajo la luz solar ha atraído mucha atención recientemente debido al doble beneficio que puede obtenerse de este proceso: puede reducir el exceso de emisiones deCO2 y también ayudar a minimizar la escasez de energía a la que nos enfrentamos actualmente. Al ser un excelente portador de hidrógeno con alta densidad energética, el HCOOH puede proporcionar energía a través de la combustión liberando únicamente agua como subproducto.

Para hacer realidad esta lucrativa solución, los científicos han desarrollado sistemas fotocatalíticos que pueden reducir elCO2 con la ayuda de la luz solar. Un sistema de este tipo consta de un sustrato que absorbe la luz (es decir, un fotosensibilizador) y un catalizador que puede permitir las transferencias multielectrónicas necesarias para reducirel CO2 en HCOOH. Así comenzó la búsqueda de un catalizador adecuado y eficaz.

Los catalizadores sólidos se consideraron los mejores candidatos para esta tarea, debido a su eficiencia y potencial reciclabilidad, y a lo largo de los años se han explorado las capacidades catalíticas de muchos marcos metal-orgánicos (MOF) basados en cobalto, manganeso, níquel y hierro, teniendo estos últimos algunas ventajas sobre otros metales. Sin embargo, la mayoría de los catalizadores basados en el hierro de los que se ha informado hasta ahora sólo producen monóxido de carbono como producto principal, en lugar de HCOOH.

Este problema, sin embargo, pronto fue resuelto por un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) dirigido por el profesor Kazuhiko Maeda. En un estudio reciente publicado en Angewandte Chemie, el equipo presentó un catalizador basado en hierro y soportado por alúmina (Al2O3) que utiliza oxihidróxido de hierro (III) alfa (α-FeOOH; geotina). El nuevo catalizador α-FeOOH/Al2O3 mostró unas propiedades superiores de conversión deCO2 en HCOOH junto con una excelente capacidad de reciclaje. Cuando se le pregunta por la elección del catalizador, el profesor Maeda afirma: "Queríamos explorar elementos más abundantes como catalizadores en un sistema de fotorreducción deCO2 . Necesitamos un catalizador sólido que sea activo, reciclable, no tóxico y barato, por lo que elegimos un mineral del suelo muy extendido como la goethita para nuestros experimentos".

El equipo adoptó un sencillo método de impregnación para sintetizar su catalizador. A continuación, utilizaron el material de Al2O3 cargado de hierro para la reducción fotocatalítica delCO2 a temperatura ambiente en presencia de un fotosensibilizador a base de rutenio (Ru), un donante de electrones, y luz visible de longitud de onda superior a 400 nanómetros.

Los resultados fueron bastante alentadores; su sistema mostró una selectividad del 80-90% hacia el producto principal, el HCOOH, y un rendimiento cuántico del 4,3% (lo que indica la eficiencia del sistema).

Este estudio presenta por primera vez un catalizador sólido basado en hierro que puede generar HCOOH cuando se acompaña de un fotosensibilizador eficaz. También explora la importancia de un material de soporte adecuado (Al2O3) y su efecto en la reacción de reducción fotoquímica.

Los resultados de esta investigación podrían contribuir al desarrollo de nuevos catalizadores -sin metales preciosos- para la fotorreducción delCO2 en otras sustancias químicas útiles. "Nuestro estudio demuestra que el camino hacia una economía energética más ecológica no tiene por qué ser complicado. Se pueden obtener grandes resultados incluso adoptando métodos sencillos de preparación de catalizadores, y compuestos bien conocidos y abundantes en tierra pueden utilizarse como catalizadores selectivos para la reducción deCO2, si se apoyan en compuestos como la alúmina", concluye el profesor Maeda.

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