El catalizador de cobre puede ser esencial para la producción de combustibles solares a partir de la luz solar, el agua y el CO2

“Esto es muy emocionante. Después de décadas de trabajo, finalmente podemos mostrar, con pruebas innegables, cómo los electrocatalizadores de cobre sobresalen en la reducción de CO2”, dijo Peidong Yang, científico senior de la facultad en las divisiones de Ciencias de los Materiales y Ciencias Químicas de Berkeley Lab que dirigió el estudio, dijo en un comunicado. comunicado de prensa. «Saber cómo el cobre es un electrocatalizador tan excelente nos acerca a convertir el CO2 en nuevos combustibles solares renovables a través de la fotosíntesis artificial».

El trabajo fue posible gracias a la combinación de una nueva técnica de imagen llamada STEM (microscopía electrónica de transmisión de barrido) de célula líquida electroquímica operando 4D con una sonda de rayos X suave para investigar el mismo entorno de muestra: nanopartículas de cobre en líquido. 

En un artículo publicado en la revista Nature , Yang y sus colegas explican que durante los experimentos 4D-STEM, usaron una nueva celda de líquido electroquímico para observar cómo las nanopartículas de cobre (que varían en tamaño de 7 nanómetros a 18 nanómetros) se convierten en nanogranos activos durante la electrólisis de CO2. —un proceso que utiliza electricidad para impulsar una reacción en la superficie de un electrocatalizador.

Los experimentos revelaron una sorpresa: las nanopartículas de cobre se combinaron en «nanogranos» de cobre metálico más grandes segundos después de la reacción electroquímica.

Facilitar la reducción de CO2

Para obtener más información, el equipo recurrió a Cheng Wang, quien fue pionero en una técnica conocida como «dispersión resonante de rayos X blandos (RSoXS) para materiales blandos». Con su ayuda, utilizaron la misma celda de líquido electroquímico, pero esta vez durante los experimentos para determinar si los nanogranos de cobre facilitan la reducción de CO2. 

Wang explicó que los rayos X suaves son ideales para estudiar cómo evolucionan los electrocatalizadores de cobre durante la reducción de CO2. 

Los experimentos RSoXS, junto con evidencia adicional reunida en la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell (CHESS), demostraron que los nanogranos de cobre metálico sirven como sitios activos para la reducción de CO2. (El cobre metálico, también conocido como cobre(0), es una forma del elemento cobre).

Yang explicó que durante la electrólisis de CO2, las nanopartículas de cobre cambian su estructura durante un proceso llamado «codificación electroquímica». La capa superficial de óxido de las nanopartículas de cobre se degrada, creando sitios abiertos en la superficie de cobre para que se adhieran las moléculas de CO2. Y a medida que el CO2 se “acopla” o se une a la superficie del nanograno de cobre, los electrones se transfieren al CO2, provocando una reacción que produce simultáneamente etileno, etanol y propanol junto con otros productos multicarbonados.

“Los nanogranos de cobre esencialmente se convierten en pequeñas fábricas de fabricación de productos químicos”, dijo Yang.

Otros experimentos revelaron que el tamaño importa. Todas las nanopartículas de cobre de 7 nanómetros participaron en la reducción de CO2, mientras que las nanopartículas más grandes no lo hicieron. Además, el equipo aprendió que solo el cobre metálico puede reducir de manera eficiente el CO2 en productos multicarbono. 

En opinión de Yang, estos hallazgos tienen implicaciones para el diseño racional de electrocatalizadores de CO2 eficientes.

El nuevo estudio también validó sus hallazgos de 2017: que las nanopartículas de cobre de 7 nanómetros requieren bajos aportes de energía para iniciar la reducción de CO2. Como electrocatalizador, las nanopartículas de cobre de 7 nanómetros requerían una fuerza impulsora récord que es de aproximadamente 300 milivoltios menos que los electrocatalizadores de cobre a granel típicos. 

Esto significa que los nanogranos de cobre podrían potencialmente aumentar la eficiencia energética y la productividad de algunos catalizadores diseñados para la fotosíntesis artificial, un campo de investigación que tiene como objetivo producir combustibles a partir de la luz solar , el agua y el CO2.