Los efectos del dióxido de carbono sobre el calentamiento global son cada vez más evidentes y más importantes. La reducción de las emisiones de este gas son algo necesario y por ello se trabaja intensamente en el desarrollo de procesos menos contaminantes. Una de las opciones podría ser la reutilización del CO2como materia prima para la obtención de nuevos productos, desplazando así a los combustibles fósiles. Los resultados obtenidos por unos investigadores del Oak Ridge National Laboratory, en Tennessee (USA), van en este camino, ya que han conseguido convertir el CO2 en etanol gracias a unas nanoestructuras particulares de grafeno con nanopartículas de cobre en su superficie, con una eficiencia en la conversión de un 63%.
Imagen de las nanoespigas de carbono con las nanopartículas de cobre (fuente)
Los estudios para transformar por medios electroquímicos el dióxido de carbono en otros productos útiles se lleva estudiando desde hace décadas. En general, los mejores resultados se habían obtenido con catalizadores metálicos (basados en cobre, platino, estaño, oro…), siendo el cobre el que mejores resultados aportaba aunque la eficiencia y selectividad para obtener productos más pesados que el metano era muy baja.
Con esta base, existían estudios teóricos que predecían una mejora en este proceso de reducción electroquímica del CO2 utilizando nanopartículas de cobre depositadas sobre grafeno, ya que podrían estabilizar los intermedios de reacción y favorecer la aparición de hidrocarburos algo mayores. En el presente trabajo, publicado hace poco más de un mes en la revista Chemistry Select, los autores utilizan un particular tipo de grafeno dopado con nitrógeno, fabricado por ellos mismos, que presenta una superficie con multitud de pliegues y puntas y que denominaron nanoespigas de carbono (CNS). Es de hecho esta textura la clave de todo el proceso.
Estas nanoespigas se generan al producir una película de grafeno mediante un CVD mejorado con una corriente directa de plasma, y utilizando acetileno y amoniaco como reactivos. Según indican los autores, el nitrógeno actúa como limitador de un ordenamiento regular del grafeno y favorece esta particular nanoestructura, con espigas de 50-80 nm de longitud. De hecho, el espectro Raman del CNS indica que tiene una estructura similar a la de un grafeno de unas pocas capas.
Posteriormente, se depositan sobre este material nanopartículas de cobre partiendo de una disolución de CuSO4 lo que, gracias a la textura del CNS, fomenta la creación de muchas partículas pequeñas y bien dispersas en la superficie (tamaño medio de 39.18 nm y densidad de 2.21·109 partículas cm-2).
En el estudio, los científicos compararon el comportamiento del Cu/CNS con otros electrodos fabricados con otros materiales similares: un carbono cristalino con nanopartículas de Cu o las nanoespigas pero sin el cobre electrodepositado. Los experimentos se realizaron con disoluciones de CO2 en agua a temperatura abiente y utilizando distintas diferencias de potencial, obteniéndose los mejores resultados (eficiencia del 63%) con -1.2V.
A pesar de que los propios investigadores indican que el mecanismo de reacción no está completamente claro, sugieren que la interacción entre el cobre y la estructura del CNS (gracias al dopaje con nitrógeno) favorece la adorción de moléculas de CO o CO2 y se induce así la formación de intermedios OC-CO, que posteriormente sufrirían una reducción de un carbono al -CH3 del etanol.
Los autores afirman que descubrieron esta reacción casi de casualidad porque en realidad perseguían un primer paso de la reacción global, pero encontraron que el nuevo catalizador la desarrollaba al completo y con una buena eficiencia y selectividad. De normal, este tipo de reacciones electroquímicas dan lugar a muchos y distintos subproductos. El Cu/CNS además, aparenta ser bastante estable ya que después de los experimentos apenas disminuyó su eficiencia y, gracias a microscopía SEM, no se observaron cambios significativos en el tamaño de las nanopartículas de Cu o en el propio espesor de la lámina de CNS. Por todo ello, los investigadores creen que el proceso podría ser escalado para su uso en aplicaciones industriales, como para almacenar (en forma de etanol) un exceso de electricidad generada en fuentes de energía variables como la eólica o la solar.
- Fuente: nota en Phys.org y artículo original
