Un novedoso fotocatalizador convierte eficazmente el dióxido de carbono en metano con la luz solar. Fotocatálisis inspirada en la naturaleza
City University of Hong Kong
El Dr. Ng y su equipo sintetizaron un nuevo fotocatalizador envolviendo el óxido cuproso con marcos metal-orgánicos basados en el cobre.
El dióxido de carbono (CO2) es uno de los principales gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global. Si el dióxido de carbono se pudiera convertir en energía, se matarían dos pájaros de un tiro al abordar los problemas medioambientales. Un equipo de investigación conjunto dirigido por la City University de Hong Kong (CityU) ha desarrollado un nuevo fotocatalizador que puede producir metano combustible (CH4) de forma selectiva y eficaz a partir del dióxido de carbono utilizando la luz solar. Según su investigación, la cantidad de metano producida casi se duplicó en las primeras 8 horas del proceso de reacción.
La investigación fue dirigida por el Dr. Ng Yun-hau, profesor asociado de la Escuela de Energía y Medio Ambiente (SEE), en colaboración con investigadores de Australia, Malasia y el Reino Unido. Sus resultados se han publicado recientemente en la revista científica Angewandte Chemie, con el título»Metal-Organic Frameworks Decorated Cuprous Oxide Nanowires for Long-lived Charges Applied in Selective PhotocatalyticCO2 Reduction to CH4″.
Fotocatálisis inspirada en la naturaleza
«Inspirado en la fotosíntesis de la naturaleza, el dióxido de carbono puede ahora convertirse eficazmente en combustible de metano gracias a nuestro nuevo diseño de catalizador alimentado por energía solar, que reducirá las emisiones de carbono. Además, este nuevo catalizador se fabrica con materiales basados en el cobre, que es abundante y, por tanto, asequible», dijo el Dr. Ng.
Explicó que convertir el dióxido de carbono en metano mediante un fotocatalizador es un reto termodinámico porque el proceso de reducción química implica la transferencia simultánea de ocho electrones. El monóxido de carbono, que es perjudicial para el ser humano, suele producirse en el proceso porque sólo requiere la transferencia de dos electrones.
Señaló que el óxido cuproso (Cu2O), un material semiconductor, se ha aplicado como fotocatalizador y electrocatalizador para reducir el dióxido de carbono en otros productos químicos como el monóxido de carbono y el metano en diferentes estudios. Sin embargo, se enfrenta a varias limitaciones en el proceso de reducción, como su estabilidad inferior y la reducción no selectiva que provoca la formación de una serie de productos diversos. La separación y purificación de estos productos a partir de la mezcla puede resultar muy difícil, lo que supone una barrera tecnológica para su aplicación a gran escala. Además, el óxido cuproso puede corroerse fácilmente tras una breve iluminación y convertirse en cobre metálico u óxido de cobre.
Producción selectiva de metano puro
Para superar estos problemas, el Dr. Ng y su equipo sintetizaron un nuevo fotocatalizador envolviendo el óxido cuproso con marcos metal-orgánicos (MOF) de cobre. Con este nuevo catalizador, el equipo pudo manipular la transferencia de electrones y producir selectivamente gas metano puro.
Descubrieron que, en comparación con el óxido cuproso sin cubierta de MOF, el óxido cuproso con cubierta de MOF reducía el dióxido de carbono en metano de forma estable bajo irradiación de luz visible con un rendimiento casi doble. Además, el óxido cuproso con cubierta de MOF era más duradero y la absorción máxima de dióxido de carbono era casi siete veces superior a la del óxido cuproso desnudo.
Aumento de la captación de dióxido de carbono
El equipo encapsuló los nanohilos de óxido cuproso unidimensionales (con un diámetro de unos 400 nm) con la cubierta exterior de MOF a base de cobre de unos 300 nm de grosor. Este recubrimiento conformado de MOF sobre óxido cuproso no bloquearía la recolección de luz del catalizador. Además, el MOF es un buen adsorbente de dióxido de carbono. Proporcionó considerables áreas de superficie para la adsorción y reducción del dióxido de carbono. Al estar estrechamente unido al óxido cuproso, aportó una mayor concentración de dióxido de carbono adsorbido en lugares cercanos a los sitios activos del catalizador, reforzando la interacción entre el dióxido de carbono y el catalizador.
Además, el equipo descubrió que el óxido cuproso se estabilizaba gracias al recubrimiento conformado del MOF. Las cargas excitadas en el óxido cuproso tras la iluminación podían migrar eficazmente al MOF. De este modo, se evitaba la acumulación excesiva de cargas excitadas dentro del catalizador, que podría conducir a la autocorrosión, lo que prolongaba la vida útil del catalizador.
Los electrones permanecieron en el MOF con mayor probabilidad de tener reacciones químicas
El Dr. Wu Hao, primer autor del artículo y también de la SEE, señaló uno de los aspectos más destacados de esta investigación y dijo «Mediante el uso de la espectroscopia de fotoluminiscencia avanzada resuelta en el tiempo, observamos que una vez que los electrones se excitaban a la banda de conducción del óxido cuproso, se transferían directamente al orbital molecular más bajo desocupado (LUMO) del MOF y permanecían allí, pero no volvían rápidamente a su banda de valencia, que es de menor energía. Esto creó un estado de separación de carga de larga duración. Por lo tanto, los electrones que permanecieron en el MOF tendrían más posibilidades de sufrir reacciones químicas».
Amplía la comprensión de las relaciones entre los MOF y los óxidos metálicos
Anteriormente, se creía que la mejora de las actividades fotocatalíticas estaba simplemente inducida por el efecto de concentración de reactivos del MOF y que éste sólo servía como adsorbente de reactivos. Sin embargo, el equipo del Dr. Ng desveló cómo las cargas excitadas migran entre el óxido cuproso y el MOF en esta investigación. «Se ha demostrado que el MOF desempeña un papel más importante en la configuración del mecanismo de reacción, ya que cambia la vía de los electrones», dijo. Señaló que este descubrimiento ha ampliado la comprensión de las relaciones entre los MOF y los óxidos metálicos más allá de sus interacciones convencionales de tipo físico-químico de adsorción para facilitar la separación de cargas.
El equipo ha dedicado más de dos años a desarrollar esta estrategia eficaz para convertir el dióxido de carbono. Su próximo paso será aumentar aún más la tasa de producción de metano y explorar formas de ampliar tanto la síntesis del catalizador como los sistemas del reactor. «En todo el proceso de conversión del dióxido de carbono en metano, el único aporte energético que hemos utilizado ha sido la luz solar. Esperamos que en el futuro el dióxido de carbono emitido por las fábricas y el transporte pueda «reciclarse» para producir combustibles verdes», concluyó el Dr. Ng.
