Los químicos desarrollan un nuevo método para producir combustible sostenible
Los químicos llevan años trabajando para sintetizar materiales de alto valor a partir de moléculas de desecho. Ahora, una colaboración internacional de científicos está explorando formas de utilizar la electricidad para agilizar el proceso.
En su estudio, publicado recientemente Catálisis de la naturaleza los investigadores demostraron que el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, se puede convertir de manera muy eficiente en un tipo de combustible líquido llamado metanol.
El proceso se llevó a cabo tomando moléculas de ftalocianina de cobalto (CoPc) y distribuyéndolas uniformemente sobre nanotubos de carbono, tubos similares al grafeno que tienen propiedades eléctricas únicas. En su superficie había una solución electrolítica que, al pasar una corriente eléctrica a través de ella, permitía que las moléculas de CoPc aceptaran electrones y los utilizaran para convertir el dióxido de carbono en metanol.
Utilizando un método especial basado en espectroscopia in situ para observar reacciones químicas, los investigadores observaron por primera vez que las propias moléculas se convierten en metanol o monóxido de carbono, que no es el producto deseado. Descubrieron que el camino que toma la reacción está determinado por el entorno en el que reacciona la molécula de dióxido de carbono.
Al controlar cómo se distribuyó el catalizador de CoPc en la superficie de los nanotubos de carbono, ajustar el entorno hizo que fuera ocho veces más probable convertir dióxido de carbono en metanol, un hallazgo que es consistente con otros procesos catalíticos que pueden aumentar la eficiencia y tener una amplia gama de efectos. efecto de alcance. Fields, coautor del estudio y profesor Robert Baker de química y bioquímica en la Universidad Estatal de Ohio.
“Cuando se toma dióxido de carbono y lo convierte en otro producto, se pueden producir muchas moléculas diferentes”, dijo. “El metanol es sin duda la materia prima más deseable porque tiene una densidad energética muy alta y puede usarse directamente como combustible alternativo”.
Aunque convertir moléculas de desecho en productos útiles no es un fenómeno nuevo, hasta ahora los investigadores a menudo no han podido ver cómo ocurre realmente la reacción, una clave para poder refinar y mejorar el proceso.
“Podemos optimizar experimentalmente cómo funciona algo, pero no entendemos realmente qué lo hace funcionar o qué hace que un catalizador funcione mejor que otro”, dijo. “Las reacciones del estudio cambian cuando están en la superficie de diferentes materiales. ” dijo Baker, que se especializa en química de superficies. “Estas son cosas muy difíciles de responder”.
Pero con la ayuda de técnicas especiales y modelos informáticos, el equipo se ha acercado mucho más a comprender el complejo proceso. En el estudio, los investigadores utilizaron un nuevo tipo de espectroscopia vibratoria, que les permitió ver cómo se comportaban las moléculas en la superficie, dijo Quansong Zhu, autor principal del estudio y ex becario presidencial del estado de Ohio, cuyas desafiantes mediciones fueron fundamentales para el descubrimiento.
“Pudimos decir por sus firmas vibratorias que se trataba de la misma molécula situada en dos entornos de reacción diferentes”, dijo Zhou. “Pudimos correlacionar que uno de estos entornos de reacción era responsable de producir metanol, un valioso combustible líquido”.
Según la investigación, un análisis más profundo también reveló que estas moléculas interactuaban directamente con partículas sobrealimentadas llamadas cationes, lo que mejoraba el proceso de formación de metanol.
Se necesita más investigación para aprender más sobre lo que estos cationes permiten, pero tal hallazgo es clave para encontrar una forma más eficiente de producir metanol, dijo Baker.
“Estamos analizando sistemas que son muy importantes y aprendiendo cosas sobre ellos que se han pensado durante mucho tiempo”, dijo Baker. “Comprender la química única que ocurre a nivel molecular es realmente importante para permitir estas aplicaciones”.
Además de ser un combustible de bajo costo para vehículos como aviones, automóviles y veleros, el metanol producido a partir de electricidad renovable también puede usarse para calefacción y generación de energía y para avanzar en descubrimientos químicos en el futuro.
“Hay muchas cosas interesantes que pueden surgir en base a lo que hemos aprendido aquí, y algunas de ellas ya estamos empezando a armarlas”, dijo Baker. “trabajo en progreso.”
Los coautores incluyen a Connor L. Rooney y Heliang Wang de la Universidad de Yale, Hadar Shima y Eliad Gross de la Universidad Hebrea, y Christina Zeng y Julian A. Panettiere de la Universidad de Binghamton. Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Cooperación Internacional de la Fundación Internacional de Ciencias Estados Unidos-Israel (BSF).