Un catalizador más eficiente para reducir dióxido de carbono/A more efficient catalyst to reduce carbon dioxide

Illustration courtesy of Feng Jiao

Un equipo de investigadores de la Universidad de Delaware ha desarrollado un catalizador altamente selectivo capaz de convertir electroquímicamente el dióxido de carbono - gas de efecto invernadero en monóxido de carbono con una eficiencia del 92 por ciento. El monóxido de carbono se puede usar para desarrollar productos químicos. Los investigadores han publicado sus hallazgos en Nature Communications .
Según Feng Jiao, profesor asistente de Ingeniería Química y Biomolecular e investigador principal del proyecto "La conversión del dióxido de carbono en productos químicos útiles de manera selectiva y eficaz, sigue siendo un reto importante en la investigación de energías renovables y sostenibles".
Los investigadores encontraron que un electrocatalizador de plata nano-porosa, resultaba 3000 veces más activo que si era de plata policristalina, el catalizador más comúnmente utilizado para convertir dióxido de carbono en productos químicos útiles.
La plata se considera un material prometedor como catalizador de la reducción del dióxido de carbono, debido a que es altamente selectiva - aproximadamente 81 por ciento - y porque es mucho más barata que otros catalizadores hechos con metales preciosos. Además, y debido a su carácter inorgánico, la plata es más estable en condiciones agresivas para los catalizadores.
Según Jiao, su excepcionalmente alta actividad se debe probablemente debida a la superficie interior altamente curvada y extremadamente larga de este electrocatalizador desarrollado por la Universidad de Delware, la cual es aproximadamente 150 veces más grande y 20 veces intrínsecamente más activa que la plata policristalina. Jiao argumenta que los puntos activos situados sobre la superficie interna curvada precisan un voltaje mucho menor de lo esperado, para superar la barrera de la energía de activación necesaria para producir la reacción.
El monóxido de carbono resultante puede ser utilizado como materia prima industrial para fabricar combustibles sintéticos, reduciendo a la vez las emisiones industriales de dióxido de carbono hasta en un 40 por ciento .
Para validar sus hallazgos, los investigadores compararon el catalizador de plata nano-porosa con otros potenciales electrocatalizadores de dióxido de carbono, hechos con plata policristalina o con otras nanoestructuras, tales como nanopartículas de plata y nanocables. Las pruebas realizadas en idénticas condiciones confirmaron las significativas ventajas del catalizador de plata nanooporosa sobre otros catalizadores de plata en medios acuosos.
La reducción de las emisiones de dióxido de carbono de efecto invernadero, procedentes del uso de combustibles fósiles se considera crítica para la supervivencia de nuestra sociedad. Durante los últimos 20 años, la reducción electrocatalítica del dióxido de carbono ha llamado mucho la atención debido a la posibilidad de utilizar electricidad procedente de fuentes de energía renovables como la eólica, solar y la de las mareas.
Un informe de 2007 del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático indicó que el 19 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero provenían en 2004 de la industria.
Según Liao, "la conversión selectiva del dióxido de carbono en monóxido de carbono es una ruta prometedora para obtener energía limpia pero es un proceso técnicamente difícil de llevar a cabo. Tenemos la esperanza de que el catalizador desarrollado pueda allanar el camino a futuros avances en este área".

Imagen de/Image from University of Delaware

A team of researchers at the University of Delaware has developed a highly selective catalyst capable of electrochemically converting carbon dioxide -- a greenhouse gas -- to carbon monoxide with 92 percent efficiency. The carbon monoxide then can be used to develop useful chemicals. The researchers recently reported their findings in Nature Communications.
"Converting carbon dioxide to useful chemicals in a selective and efficient way remains a major challenge in renewable and sustainable energy research," according to Feng Jiao, assistant professor of chemical and biomolecular engineering and the project's lead researcher.
The researchers found that when they used a nano-porous silver electrocatalyst, it was 3,000 times more active than polycrystalline silver, a catalyst commonly used in converting carbon dioxide to useful chemicals.
Silver is considered a promising material for a carbon dioxide reduction catalyst because of it offers high selectivity -- approximately 81 percent -- and because it costs much less than other precious metal catalysts. Additionally, because it is inorganic, silver remains more stable under harsh catalytic environments.
The exceptionally high activity, Jiao said, is likely due to the University of Delaware-developed electrocatalyst's extremely large and highly curved internal surface, which is approximately 150 times larger and 20 times intrinsically more active than polycrystalline silver. Jiao explained that the active sites on the curved internal surface required a much smaller than expected voltage to overcome the activation energy barrier needed drive the reaction.
The resulting carbon monoxide can be used as an industry feedstock for producing synthetic fuels, while reducing industrial carbon dioxide emissions by as much as 40 percent.
To validate whether their findings were unique, the researchers compared the UD-developed nano-porous silver catalyst with other potential carbon dioxide electrocatalysts including polycrystalline silver and other silver nanostructures such as nanoparticles and nanowires. Testing under identical conditions confirmed the nano-porous silver catalyst's significant advantages over other silver catalysts in water environments.
Reducing greenhouse carbon dioxide emissions from fossil fuel use is considered critical for human society. Over the last 20 years, electrocatalytic carbon dioxide reduction has attracted attention because of the ability to use electricity from renewable energy sources such as wind, solar and wave.
A 2007 Intergovernmental Panel on Climate Change report stated that 19 percent of greenhouse gas emissions resulted from industry in 2004, according to the Environmental Protection Agency's website.
"Selective conversion of carbon dioxide to carbon monoxide is a promising route for clean energy but it is a technically difficult process to accomplish," said Jiao. "We're hopeful that the catalyst we've developed can pave the way toward future advances in this area."

Tomado de /Taken from Science Daily

Resumen de la publicación científica/Abstract of the paper
A selective and efficient electrocatalyst for carbon dioxide reduction
Q. Lu,J. Rosen, Y. Zhou, G.S. Hutchings, Y.C. Kimmel, J.G. Chen and F. Jiao
Nature Communications 5:3242; doi:10.1038/ncomms4242; Published 30 January 2014

Abstract
Converting carbon dioxide to useful chemicals in a selective and efficient manner remains a major challenge in renewable and sustainable energy research. Silver is an interesting electrocatalyst owing to its capability of converting carbon dioxide to carbon monoxide selectively at room temperature; however, the traditional polycrystalline silver electrocatalyst requires a large overpotential. Here we report a nanoporous silver electrocatalyst that is able to electrochemically reduce carbon dioxide to carbon monoxide with approximately 92% selectivity at a rate (that is, current) over 3,000 times higher than its polycrystalline counterpart under moderate overpotentials of less 0.50 V. The high activity is a result of a large electrochemical surface area (approximately 150 times larger) and intrinsically high activity (approximately 20 times higher) compared with polycrystalline silver. The intrinsically higher activity may be due to the greater stabilization of CO2 − intermediates on the highly curved surface, resulting in smaller overpotentials needed to overcome the thermodynamic barrier.