26.09.2022 - Hiroshima University

La envoltura de cubos de cobre de tamaño nanométrico puede ayudar a convertir el dióxido de carbono en otros productos químicos

Los investigadores encontraron una nueva forma de reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) envolviendo nanocubos de cobre con una capa orgánica, resolviendo los problemas de inestabilidad y selectividad de los nanocubos de cobre en catálisis y mejorando la forma en que este electrocatalizador convierteel CO2 en moléculas orgánicas.

A medida que se acelera la necesidad de mitigar el cambio climático, los científicos tratan de encontrar nuevas formas de reducir las emisiones de dióxido de carbono. Uno de los procesos, llamado reducción electroquímica o electrólisis, utiliza la electricidad y un catalizador para convertir el dióxido de carbono en productos orgánicos que pueden utilizarse de otras maneras. A diferencia de la conversión entre agua e hidrógeno, el reciclado químico del dióxido de carbono puede producir diversos productos utilizables, ya que el carbono puede desarrollar una gran variedad de estructuras orgánicas.

Una de las formas de lograr la reducción electroquímica del dióxido de carbono utiliza piezas muy pequeñas de cobre. Si bien se sabe que el cobre metálico a granel convierte el dióxido de carbono en diversas moléculas orgánicas, estos pequeños trozos de cobre pueden mejorar aún más la actividad catalítica no sólo por el aumento de su superficie, sino también por la estructura electrónica única del cobre surgida de la nanoestructura.

En un artículo publicado en Chemical Communications el 23 de junio, los investigadores explican un proceso para mejorar la forma en que los nanocubos de cobre convierten el dióxido de carbono, mejorando su selectividad. La selectividad se refiere a la capacidad de un catalizador para producir un producto deseado por encima de los subproductos no deseados.

"Los últimos avances en la reducción del dióxido de carbono mediante electrocatalizadores de cobre pueden convertir el gas en hidrocarburos y alcohol, pero la selectividad de los distintos electrocatalizadores de cobre desarrollados hasta ahora sigue siendo difícil de alcanzar, porque tienden a perder actividad por la reorganización estructural durante la catálisis", explica Shoko Kume, profesor asociado de la Escuela de Postgrado de Ciencia e Ingeniería Avanzada de la Universidad de Hiroshima (Japón).

Los investigadores descubrieron que este problema puede resolverse haciendo crecer una capa orgánica sobre los nanocubos. En primer lugar, se añadieron un par de monómeros al nanocubo de óxido de cobre. Estos monómeros se unieron a la química del óxido de cobre y creció una capa orgánica uniforme en la superficie de los cubos. Esta nueva capa orgánica ayuda a mejorar la selectividad de la reducción del dióxido de carbono, en parte porque el dióxido de carbono tiene poca solubilidad y la capa orgánica que produjeron los investigadores tiene propiedades hidrofóbicas, lo que significa que repele el exceso de agua, a partir de la cual se produce el hidrógeno no deseado. "La envoltura mejoró la reducción del dióxido de carbono en el cobre situado bajo esta capa orgánica al suprimir la evolución del hidrógeno, y también mantuvo la estructura cúbica durante todo el funcionamiento del catalizador", dijo Kume.

Otro factor importante para mejorar la calidad de la capa orgánica fue la temperatura en el momento del crecimiento, obteniéndose los mejores resultados a temperatura ambiente. En las mejores condiciones, la capa es plana con un grosor de varias moléculas. Incluso la capa más fina penetra fácilmente en el dióxido de carbono y permite que el cobre envuelto se someta a la electrorreducción, protegiendo los metales y ayudando a los cubos a conservar su forma.

En la actualidad, los nanocubos de cobre no están muy extendidos como método de reducción del dióxido de carbono porque son inestables y no tienen el nivel de selectividad necesario para reciclar eficazmente el dióxido de carbono en otros productos químicos. Los resultados de este trabajo destacan un nuevo método para crear un electrocatalizador con nanocubos de cobre que puede resolver algunos de estos problemas. Los investigadores también señalan, de cara al futuro, que el método puede modificarse para controlar la selectividad y mejorar el funcionamiento de los catalizadores.

"Nuestro método actual puede introducir una gran variedad de estructuras orgánicas dentro de la capa, que pueden intervenir en el proceso de reducción del dióxido de carbono para controlar su selectividad y eficacia", afirma Kume. "También puede utilizarse para controlar el comportamiento dinámico de las especies metálicas durante la catálisis, lo que puede desarrollar catalizadores con una larga vida útil y una tolerancia a las impurezas".

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