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El dióxido de carbono (CO2) es el producto de la quema de combustibles fósiles y el gas de efecto invernadero más común, que puede convertirse nuevamente en combustibles útiles de manera sostenible. Una forma prometedora de convertir las emisiones de CO2 en materia prima para combustible es un proceso llamado reducción electroquímica. Pero para que sea comercialmente viable, es necesario mejorar el proceso para seleccionar o producir productos ricos en carbono más deseados. Ahora, como se informa en la revista Nature Energy, el Laboratorio Nacional 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 del Laboratorio de Berkeley y profesor de ingeniería química en la Universidad. de California, Berkeley. Dijo el hechizo. "Nuestro equipo descubrió que se puede utilizar el entorno local del catalizador para realizar varios trucos que proporcionen 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 acuático de las pilas de combustible, como parte del proyecto del Centro de Innovación Energética de la Liquid Sunshine Alliance del Ministerio de Energía, Bell y su equipo recurrieron a una fina capa de ionómero, que permite que ciertas cargas moléculas (iones) para pasar. Excluye otros iones. Debido a sus propiedades químicas altamente selectivas, son especialmente adecuados para tener un fuerte impacto en el microambiente.
Chanyeon Kim, investigador postdoctoral del grupo Bell y primer autor del artículo, propuso recubrir la superficie de los catalizadores de cobre con dos ionómeros comunes, Nafion y Sustainion. El equipo planteó la hipótesis de que hacerlo debería cambiar el entorno cercano al catalizador (incluido el pH y la cantidad de agua y dióxido de carbono) de alguna manera para dirigir la reacción para producir productos ricos en carbono que puedan convertirse fácilmente en productos químicos útiles. Productos y combustibles líquidos.
Los investigadores aplicaron una capa delgada de cada ionómero y una capa doble de dos ionómeros a una película de cobre sostenida por un material polimérico para formar una película, que pudieron insertar cerca de un extremo de una celda electroquímica con 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 representaban el 80% de la energía consumida por la reacción (más del 60% en el caso sin recubrimiento).
"Este recubrimiento sándwich ofrece lo mejor de ambos mundos: alta selectividad del producto y alta actividad", dijo Bell. La superficie de doble capa no sólo es buena para productos ricos en carbono, sino que al mismo tiempo genera una fuerte corriente, lo que indica un aumento de la actividad.
Los investigadores concluyeron que la respuesta mejorada fue el resultado de la alta concentración de CO2 acumulada en el revestimiento directamente encima del cobre. Además, las moléculas cargadas negativamente que se acumulan en la región entre los dos ionómeros producirán una menor acidez local. Esta combinación compensa las compensaciones de concentración que tienden a ocurrir en ausencia de películas de ionómero.
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: el voltaje pulsado. Al aplicar 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 sin recubrimiento 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 ambiente en la superficie del catalizador es un método nuevo y diferente.
"No se nos ocurrió un catalizador completamente nuevo, sino que utilizamos nuestra comprensión de la cinética de reacción y utilizamos este conocimiento para guiarnos a la hora de pensar en cómo cambiar el entorno del sitio del catalizador", dijo Adam Weber, ingeniero senior. Científicos en el campo de la tecnología energética en Berkeley Laboratories y coautor de artículos.
El siguiente paso es ampliar la producción de catalizadores recubiertos. Los experimentos preliminares del equipo del Laboratorio de Berkeley involucraron pequeños sistemas de modelos planos, que eran mucho más simples que las estructuras porosas de gran superficie requeridas para aplicaciones comerciales. “No es difícil aplicar un recubrimiento sobre una superficie plana. Pero los métodos comerciales pueden implicar recubrir pequeñas bolas de cobre”, dijo Bell. Agregar una segunda capa de recubrimiento se vuelve un desafío. Una posibilidad es mezclar y depositar los dos recubrimientos juntos en un solvente y esperar que se separen cuando el solvente se evapore. ¿Qué pasa si no lo hacen? Bell concluyó: "Sólo tenemos que ser más inteligentes". Consulte Kim C, Bui JC, Luo X y otros. Microambiente catalizador personalizado para la electroreducción de CO2 a productos multicarbono utilizando un recubrimiento de ionómero de doble capa sobre cobre. Energía Nacional. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
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Hora de publicación: 22-nov-2021
