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El dióxido de carbono (CO2) es el producto de la quema de combustibles fósiles y los gases de efecto invernadero más comunes, que se pueden convertir en combustibles útiles de manera sostenible. Una forma prometedora de convertir las emisiones de CO2 en materia prima de combustible es un proceso llamado reducción electroquímica. Pero para ser comercialmente viable, el proceso debe mejorarse para seleccionar o producir productos más ricos en carbono deseados. Ahora, como se informó en la revista Nature Energy, el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha desarrollado un nuevo método para mejorar la superficie del catalizador de cobre utilizado para la reacción auxiliar, aumentando así la selectividad del proceso.
"Aunque sabemos que el cobre es el mejor catalizador para esta reacción, no proporciona una alta selectividad para el producto deseado", dijo Alexis, científico principal del Departamento de Ciencias Químicas de Berkeley Lab y profesor de ingeniería química de la Universidad de California, Berkeley. Dijo el hechizo. "Nuestro equipo descubrió que puede usar el entorno local del catalizador para hacer varios trucos para proporcionar este tipo de selectividad".
En estudios anteriores, los investigadores han establecido condiciones precisas para proporcionar el mejor entorno eléctrico y químico para crear productos ricos en carbono con valor comercial. Pero estas condiciones son contrarias a las condiciones que ocurren naturalmente en las celdas de combustible típicas que utilizan materiales conductores a base de agua.
Para determinar el diseño que se puede utilizar en el entorno del agua de las celdas de combustible, como parte del proyecto del Centro de Innovación Energética de la Alianza Sunshine Liquid Sunshine del Ministerio de Energía, Bell y su equipo recurrieron a una delgada capa de ionómero, que permite que ciertas moléculas cargadas (iones) pasen. Excluir otros iones. Debido a sus propiedades químicas altamente selectivas, son particularmente adecuadas para tener un fuerte impacto en el microambiente.
Chanyeon Kim, investigador postdoctoral en el Grupo Bell y el primer autor del artículo, propuso cubrir la superficie de los catalizadores de cobre con dos ionómeros comunes, nafion y sostenimiento. El equipo planteó la hipótesis de que hacerlo debería cambiar el entorno cerca del catalizador, incluida el pH y la cantidad de agua y dióxido de carbono, en alguna manera dirigir la reacción para producir productos ricos en carbono que se pueden convertir fácilmente en productos químicos útiles. Productos y combustibles líquidos.
Los investigadores aplicaron una capa delgada de cada ionómero y una doble capa de dos ionómeros a una película de cobre soportada por un material de polímero para formar una película, que podrían insertar cerca de un extremo de una célula electroquímica en forma de mano. Al inyectar dióxido de carbono en la batería y aplicar voltaje, midieron la corriente total que fluye a través de la batería. Luego midieron el gas y el líquido recogidos en el depósito adyacente durante la reacción. Para el caso de dos capas, descubrieron que los productos ricos en carbono representaron el 80% de la energía consumida por la reacción, más grande del 60% en el caso no recubierto.
"Este recubrimiento de sándwich proporciona lo mejor de ambos mundos: alta selectividad de productos y alta actividad", dijo Bell. La superficie de doble capa no solo es buena para productos ricos en carbono, sino que también genera una corriente fuerte al mismo tiempo, lo que indica un aumento en la actividad.
Los investigadores concluyeron que la respuesta mejorada fue el resultado de la alta concentración de CO2 acumulada en el recubrimiento directamente sobre el cobre. Además, las moléculas cargadas negativamente que se acumulan en la región entre los dos ionómeros producirán una acidez local más baja. Esta combinación compensa las compensaciones de concentración que tienden a ocurrir en ausencia de películas de ionómeros.
Para mejorar aún más la eficiencia de la reacción, los investigadores recurrieron a una tecnología previamente probada que no requiere una película de ionómero como otro método para aumentar el CO2 y el pH: voltaje pulsado. Al aplicar el voltaje pulsado al recubrimiento de ionómero de doble capa, los investigadores lograron un aumento del 250% en productos ricos en carbono en comparación con el cobre no recubierto y el voltaje estático.
Aunque algunos investigadores centran su trabajo en el desarrollo de nuevos catalizadores, el descubrimiento del catalizador no tiene en cuenta las condiciones de funcionamiento. Controlar el entorno en la superficie del catalizador es un método nuevo y diferente.
"No se nos ocurrió un catalizador completamente nuevo, pero utilizamos nuestra comprensión de la cinética de reacción y usamos este conocimiento para guiarnos al pensar en cómo cambiar el entorno del sitio de catalizador", dijo Adam Weber, un ingeniero senior. Científicos en el campo de la tecnología energética en Berkeley Laboratories y coautor de documentos.
El siguiente paso es expandir la producción de catalizadores recubiertos. Los experimentos preliminares del equipo de Berkeley Lab involucraron pequeños sistemas de modelos planos, que eran mucho más simples que las estructuras porosas de gran área requeridas para aplicaciones comerciales. "No es difícil aplicar un recubrimiento en una superficie plana. Pero los métodos comerciales pueden implicar recubrimiento de pequeñas bolas de cobre", dijo Bell. Agregar una segunda capa de recubrimiento se vuelve desafiante. Una posibilidad es mezclar y depositar los dos recubrimientos en un solvente, y esperar que se separen cuando el solvente se evapore. ¿Y si no lo hacen? Bell concluyó: "Solo necesitamos ser más inteligentes". Consulte Kim C, Bui JC, Luo X y otros. Microambient del catalizador personalizado para la electro-reducción de CO2 a productos de carbono múltiple utilizando recubrimiento de ionómero de doble capa sobre cobre. Nat Energy. 2021; 6 (11): 1026-1034. doi: 10.1038/s41560-021-00920-8
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Tiempo de publicación: Nov-22-2021
