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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 se puede convertir de nuevo 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 que sea comercialmente viable, el proceso debe mejorarse 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, científica principal del Departamento de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley y profesora de ingeniería química en la Universidad. de California, Berkeley.Hechizo dijo.“Nuestro equipo descubrió que se puede usar el entorno local del catalizador para hacer varios trucos para proporcionar este tipo de selectividad”.
En estudios anteriores, los investigadores establecieron 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 la pila de combustible, como parte del proyecto del Centro de Innovación Energética de Liquid Sunshine Alliance del Ministerio de Energía, Bell y su equipo recurrieron a una capa delgada de ionómero, que permite que ciertos moléculas (iones) para pasar.Excluye otros iones.Debido a sus propiedades químicas altamente selectivas, son particularmente adecuados para tener un fuerte impacto en el microambiente.
Chanyeon Kim, investigadora postdoctoral del grupo Bell y primera autora 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 se pueden convertir 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 fluía 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, encontraron 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 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 fuerte corriente 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 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 los 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.El control del medio ambiente en la superficie del catalizador es un método nuevo y diferente.
“No creamos un catalizador completamente nuevo, sino que usamos nuestra comprensión de la cinética de reacción y utilizamos este conocimiento para guiarnos al 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 próximo paso es expandir la producción de catalizadores revestidos.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 revestimiento 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: “Solo necesitamos ser más inteligentes”.Consulte a Kim C, Bui JC, Luo X y otros.Microambiente de catalizador personalizado para la electrorreducción de CO2 a productos multicarbono mediante 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 de noviembre de 2021
