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Encapsular cubos de cobre de tamaño nanométrico puede ayudar a convertir el dióxido de carbono en otras sustancias químicas

22 de septiembre de 2022

(Noticias de NanwerkA medida que se acelera la necesidad de mitigar el cambio climático, los científicos están tratando de encontrar nuevas formas de reducir las emisiones de dióxido de carbono. Un proceso, llamado reducción electroquímica o electrólisis, usa electricidad y un catalizador para convertir el dióxido de carbono en productos orgánicos que pueden usarse de otras maneras. En contraste con la conversión entre agua e hidrógeno, el reciclaje químico del dióxido de carbono puede producir muchos productos utilizables porque el carbono puede desarrollar grandes tipos de estructuras orgánicas.

Una forma de lograr la reducción electroquímica del dióxido de carbono es utilizando piezas muy pequeñas de cobre. Si bien se sabe que el metal de cobre a granel convierte el dióxido de carbono en varias moléculas orgánicas, estas pequeñas piezas de cobre pueden mejorar aún más la actividad catalítica no solo al aumentar su área de superficie sino también a través de la estructura electrónica única del cobre que surgió del nanoproceso. Capa orgánica cultivada en nanocubo de óxido de cobre La capa orgánica que creció sobre el nanoóxido de cobre mejoró el CO2 La selectividad de reducción de las especies de cobre envueltas en él, así como también mantuvo su estructura cúbica durante la estimulación. (Foto: Shoko Komei, Universidad de Hiroshima)

En un artículo publicado en comunicación química (Envolvimiento uniforme de nanotubos de óxido de cobre(1) por un azida-alquino de cobre autocatalizado hacia electrocatálisis selectiva de dióxido de carbono.), los investigadores explican un proceso para mejorar la forma en que los nanotubos 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 sobre subproductos indeseables.

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“Los desarrollos recientes en la reducción de CO2 utilizando electrocatalizadores de cobre pueden convertir el gas en hidrocarburos y alcoholes, pero la selectividad de los diversos electrocatalizadores relacionados con el cobre desarrollados hasta ahora sigue siendo esquiva, ya que tienden a perder actividad a través de la reorganización estructural durante la catálisis”, dijo. Shoko Kumi, profesor asociado de la Escuela de Graduados en Ciencias e Ingeniería Avanzadas de la Universidad de Hiroshima en Japón.

Los investigadores descubrieron que este problema podría resolverse haciendo crecer una capa orgánica encima de los nanotubos. Primero, se agregó un par de monómeros al nanocubo de CuO. Estos monómeros se unieron químicamente sobre óxido de cobre y se desarrolló una capa orgánica uniforme en la superficie de los cubos. Esta nueva capa orgánica ayuda a mejorar la selectividad de la reducción de CO2, en parte porque el CO2 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 del cual se produce hidrógeno no deseado.

“La encapsulación mejoró la reducción de CO del cobre debajo de esta capa orgánica al suprimir la evolución de hidrógeno, así como al preservar la estructura cúbica durante el proceso del catalizador”, dijo Comey.

Otro factor importante para mejorar la calidad de la capa orgánica es la temperatura en el momento del crecimiento, encontrándose mejores resultados a temperatura ambiente. En las mejores condiciones, la capa es plana, con varias partículas de espesor. Incluso la capa más delgada permea fácilmente el dióxido de carbono y permite que el cobre enrollado experimente absorción eléctrica, lo que protege el metal y ayuda a que los cubos conserven su forma.

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Actualmente, los nanotubos de cobre no se adoptan ampliamente como método de reducción de CO2 porque son inestables y no tienen el nivel de selectividad necesario para reciclar de manera efectiva el CO2 en otros productos químicos. Los resultados de este artículo destacan un nuevo método para crear un electrocatalizador utilizando nanotubos de cobre que puede resolver algunos de estos problemas. Los investigadores también sugieren que, de cara al futuro, el método podría modificarse para controlar la selectividad y mejorar el funcionamiento de los catalizadores.

«Nuestro método actual puede introducir una variedad de estructuras orgánicas dentro de la capa, que pueden participar en el proceso de reducción de CO2 para controlar su selectividad y eficiencia», dijo Comey. «También se puede usar para controlar el comportamiento dinámico de las especies de metales durante la catálisis, lo que puede desarrollar catalizadores con una larga vida útil y tolerancia a las impurezas».

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