04.07.2022 - Tsinghua University

Un nuevo catalizador mejora radicalmente la tasa de conversión de CO₂ en combustibles solares

El dióxido de carbono o CO2 puede utilizarse potencialmente como materia prima para convertirlo en "combustibles solares" neutros en carbono que almacenan la energía del sol. Pero para que sean competitivos con los combustibles fósiles, la reacción química que realiza esta conversión necesita catalizadores mucho más eficientes. Los investigadores han ideado recientemente una estructura de fotocatalizador con átomos aislados de cobre en un marco polimérico que mejora radicalmente el rendimiento del catalizador.

Hay una serie de sectores, como el transporte marítimo de larga distancia y la aviación, que son difíciles de electrificar, por lo que en la batalla por mitigar el cambio climático habrá que desarrollar alguna forma de combustible neutro en carbono. Mientras tanto, la energía solar puede ser baja en carbono, pero depende del clima. A veces no se produce suficiente electricidad y otras veces se produce demasiada.

Una solución elegante que podría mejorar ambos problemas es la conversión de la energía solar en combustibles sintéticos. Al extraer el CO2 atmosférico y utilizarlo como materia prima, combinado con el hidrógeno producido por la división de las moléculas de agua, se pueden producir en una fábrica versiones de hidrocarburos neutras en carbono. Esto, en efecto, almacena la energía solar para utilizarla más tarde, cuando el sol no brilla, o como un combustible limpio que funciona en sectores difíciles de electrificar (y más allá).

Sin embargo, uno de los grandes retos a los que se enfrenta esta visión de la conversión de la energía solar en combustible, que imita la forma en que las plantas convierten la luz solar en energía, es aumentar la eficiencia de las reacciones químicas implicadas lo suficiente como para que el producto final sea competitivo en cuanto a costes con los combustibles fósiles sucios.

La clave para lograr esa eficiencia es producir mejores catalizadores, sustancias que aceleran la reacción química. El objetivo principal ha sido maximizar la concentración de sitios en las moléculas de los catalizadores en los que puede tener lugar una reacción para mejorar la eficiencia y, al mismo tiempo, reducir los residuos.

En la última década, la comunidad de investigadores de catalizadores ha centrado cada vez más su atención en los catalizadores de un solo átomo (SAC) con el objetivo de dar un gran impulso a todo tipo de procesos industriales, no sólo a la fotocatálisis necesaria para la conversión de energía solar en combustible. Los SAC son catalizadores en los que todos los átomos metálicos que intervienen en la reacción existen como átomos individuales aislados y dispersos en una estructura de soporte sólida. Estos átomos metálicos aislados suelen estar cargados positivamente. Gracias a esta inusual estructura geométrica y electrónica, los SAC pueden mejorar radicalmente la eficacia de la catálisis.

El campo de la investigación y el desarrollo de los SAC se ha disparado en los últimos años gracias, sobre todo, a la llegada de métodos avanzados de imagen y espectroscopia de rayos X. Éstos han permitido a los químicos producir imágenes muy detalladas de los SAC en acción, incluso mientras se produce la reacción, lo que les permite comprender mejor lo que está ocurriendo y probar nuevas hipótesis. Además, las técnicas modernas de síntesis química han permitido la construcción de SACs muy bien adaptados al proceso deseado.

"En los últimos años se han desarrollado muchos SAC diferentes para otras reacciones químicas, lo que ha supuesto una revolución en el rendimiento catalítico", afirma Jiangwei Zhang, coautor del artículo y físico químico del Centro de Investigación de Ingeniería Química Avanzada y Materiales Energéticos de la Universidad China del Petróleo de Qingdao, "y ahora le ha llegado el turno a los fotocatalizadores para la producción de combustible solar".

Los investigadores construyeron un SAC con una estructura covalente basada en la triazina (CTF) que ancla átomos de cobre individuales. Los CTF son una clase relativamente nueva de polímeros (cadenas de moléculas muy grandes) que ya habían demostrado mejorar el rendimiento de la división fotocatalítica del agua. Combinando los CTF con átomos de cobre individuales, los químicos pretendían conseguir una estructura altamente porosa (para aumentar el número de sitios disponibles en los que puede tener lugar la reacción química pertinente) y ofrecer la máxima eficiencia atómica. Llamaron a esta formulación Cu-SA/CTF.

Pudieron visualizar los átomos individuales de Cu mediante imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro de alto ángulo (HAADF-STEM). Y la estructura de los lugares donde se producen las reacciones se reveló mediante análisis de la estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS).

Con esta información, los investigadores pudieron comprobar el rendimiento de los fotocatalizadores Cu-SA/CTF e investigar lo que ocurría a nivel atómico. Descubrieron que la adición de átomos de cobre a la estructura había dotado a los catalizadores de una mayor capacidad de adsorción de CO2 (pegar el CO2 a sí mismo para realizar la reacción química), y reforzó la respuesta a la luz visible que impulsa el proceso, además de aportar otras mejoras. En conjunto, esto sirvió para mejorar significativamente la conversión de CO2 y agua en combustible de metano.

Como resultado, los investigadores pudieron desarrollar directrices para diseñar a escala atómica otros fotocatalizadores robustos para la conversión de CO2 en otras sustancias útiles.

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