Un grupo de químicos de la Universidad de Tsinghua ha desarrollado una estructura a nanoescala que combina cobre, oro y plata para funcionar como un catalizador superior en una reacción cuyo rendimiento será esencial si se quiere que los esfuerzos de captura de carbono tengan éxito para ayudar a mitigar el calentamiento global.
En un estudio publicado en la revista Nano Research, el equipo detrás del desarrollo explica que se centraron en una reacción química llamada la reacción electroquímica de reducción de CO2 (eCO2RR o ECR). Este utiliza electricidad para impulsar la conversión del gas en otras sustancias utilizables mediante la separación de los átomos de carbono del CO2 de sus átomos de oxígeno.
El agua también puede proporcionar «donantes» de hidrógeno en algunas variedades de ECR en las que los átomos de carbono se combinan con hidrógeno para producir diversas especies de hidrocarburos o alcoholes.
La clave para ECR es usar el catalizador o la sustancia química adecuada cuya estructura y carga le permitan iniciar o acelerar una reacción química. Se han utilizado varios metales diferentes como catalizadores dependiendo del producto final que se desee. Los catalizadores que emplean un solo tipo de metal incluyen estaño para producir ácido fórmico, plata para monóxido de carbono y cobre para metano, etileno o etanol.
Sin embargo, los investigadores dicen que el rendimiento del proceso puede verse limitado cuando ECR compite con la tendencia de los átomos de hidrógeno dentro de la división electroquímica del agua para emparejarse entre sí en lugar de unirse con los átomos de carbono. Esta competencia puede llevar a la producción (o “selección”) de un producto químico final diferente al deseado.
Para evitar este problema, los científicos han comenzado a investigar heteroestructuras que incorporan dos metales distintos cuyas propiedades combinadas producen resultados diferentes o superiores a cualquiera de los materiales individuales por sí solos.
Algunas de las heteroestructuras que se han probado hasta ahora para ECR incluyen la combinación de plata y paladio en una formación ramificada y varias otras combinaciones de dos metales en forma de sándwich, tubo, pirámide y otras formas.
Investigaciones anteriores han tenido éxito en el empleo de heteroestructuras bimetálicas que incluyen cobre, un metal que es muy bueno para convertir CO2 en productos que usan dos átomos de carbono. Entre tales heteroestructuras bimetálicas, algunas incorporan plata-cobre, zinc-cobre y oro-cobre, gozando esta última de un éxito de selectividad particular para metano, C2 y monóxido de carbono.
“Pensamos que si dos metales estaban produciendo buenos resultados, entonces tal vez tres metales serían incluso mejores”, dijo Zhicheng Zhang, coautor del estudio, en un comunicado de prensa.
La idea llevó a Zhang y sus colegas a construir una nanoestructura trimetálica que combinaba oro, plata y cobre y tenía una forma asimétrica. La forma y la proporción precisa de los tres metales se pueden modificar mediante un método de crecimiento que implica varios pasos. Específicamente, las «nanopirámides» de oro se sintetizaron por primera vez y se usaron como «semillas» para el crecimiento posterior de varias estructuras trimetálicas que involucraban diferentes proporciones de los tres metales.
Siguiendo este arreglo, los investigadores descubrieron que, como resultado de la forma única de su diseño de heteroestructura y al alterar las proporciones de los tres metales, podían ajustar cuidadosamente la selectividad hacia diferentes productos basados en C2.
La producción de etanol, en particular, se maximizó mediante el uso de una heteroestructura con una proporción de alimentación de un átomo de oro y plata combinados con cinco átomos de cobre.
En opinión de Zhang y su equipo, este trabajo establece una estrategia prometedora para el desarrollo de otros nanomateriales trimetálicos dentro del desarrollo de ECR.
