Es va descobrir que un mineral del sòl àmpliament distribuït, l'α-oxihidròxid de ferro(III), és un catalitzador reciclable per a la fotoreducció del diòxid de carboni a àcid fòrmic. Crèdit: Prof. Kazuhiko Maeda
La fotoreducció de CO2 a combustibles transportables com l'àcid fòrmic (HCOOH) és una bona manera de combatre l'augment dels nivells de CO2 a l'atmosfera. Per ajudar en aquesta tasca, un equip de recerca de l'Institut Tecnològic de Tòquio va seleccionar un mineral a base de ferro fàcilment disponible i el va carregar en un suport d'alúmina per desenvolupar un catalitzador que pot convertir eficientment el CO2 en HCOOH, amb una selectivitat d'aproximadament el 90%!
Els vehicles elèctrics són una opció atractiva per a molta gent, i una de les raons principals és que no tenen emissions de carboni. Un gran inconvenient per a molts, però, és la seva manca d'autonomia i els llargs temps de càrrega. Aquí és on els combustibles líquids com la gasolina tenen un gran avantatge. La seva alta densitat energètica significa llargs recorreguts i recàrrega ràpida.
Canviar de gasolina o dièsel a un combustible líquid diferent pot eliminar les emissions de carboni alhora que conserva els avantatges dels combustibles líquids. En una pila de combustible, per exemple, l'àcid fòrmic pot alimentar un motor mentre allibera aigua i diòxid de carboni. Tanmateix, si l'àcid fòrmic es produeix reduint el CO2 atmosfèric a HCOOH, l'única producció neta és aigua.
L'augment dels nivells de diòxid de carboni a la nostra atmosfera i la seva contribució a l'escalfament global són ara notícia comuna. A mesura que els investigadors experimentaven amb diferents enfocaments per al problema, va sorgir una solució eficaç: convertir l'excés de diòxid de carboni a l'atmosfera en productes químics rics en energia.
La producció de combustibles com l'àcid fòrmic (HCOOH) mitjançant la fotoreducció del CO2 a la llum solar ha atret molta atenció recentment perquè el procés té un doble benefici: redueix l'excés d'emissions de CO2 i també ajuda a minimitzar l'escassetat d'energia que actualment patim. Com a excel·lent portador d'hidrogen amb alta densitat d'energia, l'HCOOH pot proporcionar energia mitjançant la combustió mentre allibera només aigua com a subproducte.
Per fer realitat aquesta solució lucrativa, els científics han desenvolupat sistemes fotocatalítics que redueixen el diòxid de carboni amb l'ajuda de la llum solar. Aquest sistema consisteix en un substrat que absorbeix la llum (és a dir, un fotosensibilitzador) i un catalitzador que permet la transferència múltiple d'electrons necessària per a la reducció de CO2 a HCOOH. I així va començar la cerca de catalitzadors adequats i eficients!
Reducció fotocatalítica del diòxid de carboni mitjançant infografies de compostos d'ús comú. Crèdit: Professor Kazuhiko Maeda
A causa de la seva eficiència i potencial reciclabilitat, els catalitzadors sòlids es consideren els millors candidats per a aquesta tasca, i al llarg dels anys s'han explorat les capacitats catalítiques de molts marcs metall-orgànics (MOF) basats en cobalt, manganès, níquel i ferro, entre els quals aquest últim té alguns avantatges respecte a altres metalls. Tanmateix, la majoria dels catalitzadors basats en ferro reportats fins ara només produeixen monòxid de carboni com a producte principal, no HCOOH.
Tanmateix, aquest problema va ser resolt ràpidament per un equip d'investigadors de l'Institut Tecnològic de Tòquio (Tokyo Tech) dirigit pel professor Kazuhiko Maeda. En un estudi recent publicat a la revista química Angewandte Chemie, l'equip va demostrar un catalitzador a base de ferro suportat en alúmina (Al2O3) utilitzant oxihidròxid de ferro(III) α (α-FeO​​​OH; geotita). El nou catalitzador α-FeO​​​OH/Al2O3 presenta un excel·lent rendiment de conversió de CO2 a HCOOH i una excel·lent reciclabilitat. Quan se'ls va preguntar sobre la seva elecció de catalitzador, el professor Maeda va dir: "Volem explorar elements més abundants com a catalitzadors en sistemes de fotoreducció de CO2. Necessitem un catalitzador sòlid que sigui actiu, reciclable, no tòxic i econòmic. Per això vam triar minerals del sòl àmpliament distribuïts com la goetita per als nostres experiments".
L'equip va emprar un mètode d'impregnació senzill per sintetitzar el seu catalitzador. A continuació, van utilitzar materials d'Al2O3 suportats en ferro per reduir fotocatalíticament el CO2 a temperatura ambient en presència d'un fotosensibilitzador a base de ruteni (Ru), un donant d'electrons i llum visible amb longituds d'ona superiors a 400 nanòmetres.
Els resultats són molt encoratjadors. La selectivitat del seu sistema per al producte principal HCOOH va ser del 80-90% amb un rendiment quàntic del 4,3% (cosa que indica l'eficiència del sistema).
Aquest estudi presenta un catalitzador sòlid a base de ferro, el primer del seu tipus, que pot generar HCOOH quan es combina amb un fotosensibilitzador eficient. També analitza la importància d'un material de suport adequat (Al2O3) i el seu efecte sobre la reacció de reducció fotoquímica.
Els resultats d'aquesta investigació poden ajudar a desenvolupar nous catalitzadors lliures de metalls nobles per a la fotoreducció del diòxid de carboni a altres productes químics útils. "La nostra investigació demostra que el camí cap a una economia d'energia verda no és complicat. Fins i tot mètodes senzills de preparació de catalitzadors poden donar grans resultats, i és ben sabut que els compostos abundants a la Terra, si es recolzen amb compostos com l'alúmina, es poden utilitzar com a catalitzador selectiu per a la reducció de CO2", conclou el professor Maeda.
Referències: "Oxihidròxid d'alfa-ferro suportat per alúmina (III) com a catalitzador sòlid reciclable per a la fotoreducció de CO2 sota llum visible" per Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Yoshinobu Kamakura, Prof. Yoshinobu Kamakura, Prof.. Shunta Nishioka. Kazuhiko Maeda, 12 de maig de 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"Aquí és on els combustibles líquids com la gasolina tenen un gran avantatge. La seva alta densitat energètica significa llargs abastos i recàrrega ràpida."
Què us sembla uns quants números? Com ​​es compara la densitat energètica de l'àcid fòrmic amb la de la gasolina? Amb només un àtom de carboni a la fórmula química, dubto que s'acosti ni tan sols a la de la gasolina.
A més d'això, l'olor és molt tòxica i, com a àcid, és més corrosiu que la gasolina. No són problemes d'enginyeria irresolubles, però tret que l'àcid fòrmic ofereixi avantatges significatius per augmentar l'autonomia i reduir el temps de recàrrega de la bateria, probablement no val la pena l'esforç.
Si planegessin extreure goethita del sòl, seria una operació minera que requeriria molta energia i podria ser perjudicial per al medi ambient.
Podrien esmentar molta goethita al sòl, ja que sospito que caldria més energia per obtenir les matèries primeres necessàries i fer-les reaccionar per sintetitzar goethita.
Cal examinar tot el cicle de vida del procés i calcular el cost energètic de tot. La NASA no ha trobat res semblant al llançament gratuït. Altres han de tenir-ho en compte.
SciTechDaily: La llar de les millors notícies tecnològiques des del 1998. Estigueu al dia de les darreres notícies tecnològiques per correu electrònic o xarxes socials.
Només pensar en els sabors fumats i embriagadors de la barbacoa ja és suficient per fer salivar a la majoria de la gent. Ja és aquí l'estiu i, per a molts...