Combinando luz visible y electroquímica, los investigadores mejoraron la conversión de dióxido de carbono en productos valiosos y realizaron un descubrimiento sorprendente. El equipo descubrió que la luz visible mejoraba significativamente una propiedad química clave llamada selectividad, abriendo nuevas vías no solo para el CO.2 conversión, sino también para muchas otras reacciones químicas utilizadas en la investigación de catálisis y la fabricación de productos químicos.
Un método mediante el cual los químicos reciclan CO2 Los productos valiosos se someten a un proceso llamado reducción electroquímica, donde una corriente de CO2 El gas se mueve a través de una celda de electrólisis que descompone el CO.2 Y el agua se descompone en monóxido de carbono e hidrógeno, que luego pueden usarse para fabricar nuevos productos de hidrocarburos deseados, dijo Prashant Jain, profesor de química de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. “Sin embargo, la reacción es lenta y el proceso requiere electrodos grandes que contienen materiales catalizadores costosos como oro o cobre, por lo que nuestro laboratorio está buscando formas de acelerar el proceso para que requiera menos materiales catalíticos, lo que lo convierte en una opción más viable para la industria de los combustibles alternativos.”
La nueva investigación, dirigida por Jain y la ex estudiante de posgrado Frances Alcorn y publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences, detalla un método que captura la acción de la luz visible recubriendo nanopartículas de una aleación de oro y cobre que se une al electrodo. inducir CO2 Permite una reducción de tasa mucho mayor y una selección más controlada que los métodos actuales.
“Estos nuevos electrodos actúan como pequeñas antenas que detectan fotones en el rango visible de la luz y los conectan a una vía de reacción química”, dijo Jain.
En el laboratorio, los electrodos se sumergen en una solución de CO.2agua y un electrolito para aumentar la conductividad. Luego, el equipo aplica un voltaje al electrodo mientras un láser de luz visible ilumina su superficie. La reacción resultante produce rápidamente monóxido de carbono, descomponiendo el CO.2 – e hidrógeno, que proviene de la división de las moléculas de agua.
“Estábamos entusiasmados de ver el aumento en la productividad cuando se usaba la luz visible”, dijo Jain. “Sin embargo, no esperábamos que el uso de la luz visible tuviera un impacto importante en la selectividad química, lo cual es un progreso significativo”. “
En catálisis, la selectividad química es la capacidad de una reacción química para favorecer o apuntar a un tipo de vía o molécula sobre otra. En este estudio, los investigadores descubrieron que la reacción de división del agua que forma gas hidrógeno se mejoraba selectivamente mediante la aplicación de luz. Esto llevó al equipo a realizar más experimentos y modelar sus resultados con la ayuda del profesor de química de la Universidad Northwestern, George Schatz, y el investigador postdoctoral Sajal Kumar Geary.
“Los resultados muestran que la luz visible ofrece una oportunidad única para ajustar la proporción de monóxido de carbono a gas hidrógeno, un factor clave para la producción industrial de gas sintético”, dijo Jain. “Este hallazgo allana el camino para un futuro energético más sostenible y eficiente”.
El uso de la luz para ayudar a promover reacciones químicas no está exento de controversia, dijo Jain. Debido a que agregar luz a una reacción química también aumentaría el calor, el equipo tuvo que realizar mediciones cuidadosas y experimentos de control para determinar si fue simplemente el efecto de calentamiento de la luz lo que provocó que las velocidades de proceso y los procesos de selección fueran más rápidos.
“Realizamos experimentos sobre la temperatura exacta producida por la excitación de la luz con y sin láser y descartamos que el calentamiento fuera el responsable”, dijo Jain. “Más bien, el flujo de carga directa inducido por campos eléctricos y la excitación de la luz fue responsable del aumento de la distribución del agua y de la mayor selectividad de la distribución del agua, que nuestros colegas han capturado en simulaciones”, dijo Jain.
El equipo todavía enfrenta algunos desafíos a medida que avanza. Por ejemplo, el uso repetido de electrodos basados en nanopartículas conducirá inevitablemente a una degradación con el tiempo, especialmente en el escenario de ampliación requerido para la aplicación industrial. Además, la eficiencia energética general del proceso y la gestión de la iluminación requerirán más investigación y mejora.
“Lo que encontramos en este estudio ofrece formas completamente nuevas de pensar sobre la electroquímica y la catálisis”, dijo Jain. “Al usar la luz, aumentamos la actividad de este catalizador, pero, sorprendentemente, también cambiamos la selectividad. Esto abrirá nuevas vías químicas que producirán diferentes productos. ¿Y por qué detenernos en el CO?2 ¿Falta o distribución de agua? Se puede aplicar a muchas otras reacciones catalíticas importantes para la industria química”.
Las investigadoras de Illinois Maya Chittoraj y Rachel Nixon también participaron en el estudio. Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Energía de EE. UU., el Robert C. and Carolyn J. Springborn Endowment y la Future Interdisciplinary Research Exploration Grant.
Jean también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales, Física y al Centro de Tecnología y Ciencia de la Información Cuántica de Illinois en Illinois.
