La evolución de un catalizador de cobre puede convertir el CO2 en productos químicos y combustibles valiosos

El cobre es el catalizador más prometedor para convertir el dióxido de carbono en valiosas materias primas químicas y combustibles líquidos mediante reacciones impulsadas por electricidad. Sin embargo, estas reacciones no son tan eficientes ni selectivas como deberían, y los reactores electroquímicos donde tienen lugar no son lo suficientemente robustos para su implementación a escala industrial.

A pesar de décadas de trabajo y progreso, los investigadores no han podido corregir esos fallos, porque no han tenido una manera de observar específicamente los pocos átomos de cobre que participan activamente en las reacciones catalíticas (en la superficie de una película de cobre que tiene cientos de capas de espesor) mientras ignoran todo el resto.

Ahora, investigadores del Laboratorio de Aceleradores Nacionales SLAC del Departamento de Energía y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han desarrollado una forma de hacerlo.

En lugar de operar el reactor electroquímico continuamente, lo encendieron y apagaron varias veces por segundo mientras sondeaban el catalizador con rayos X del sincrotrón del SLAC , la Fuente de Luz de Radiación Sincrotrón de Stanford ( SSRL ). A continuación, analizaron los datos de rayos X de los breves intervalos en los que se activaron los pulsos eléctricos y los átomos del catalizador estuvieron activos.

Como una luz estroboscópica de rápido destello, esta técnica iluminó con claridad los pasos individuales de las reacciones cercanas a la superficie y permitió a los científicos cronometrarlas con precisión de unas pocas milésimas de segundo, todo ello mientras el reactor funcionaba en condiciones operativas realistas.

El equipo de investigación, dirigido por el científico principal de SSRL Dimosthenis Sokaras y el científico principal de Berkeley Lab Junko Yano, describió su trabajo en la revista Energy and Environmental Science .

Enfoque innovador

Su novedoso enfoque es adecuado para estudiar una amplia gama de tecnologías de conversión electroquímica, como electrolizadores, pilas de combustible y baterías, dijo Sokaras, y el equipo ya lo está utilizando para impulsar la eficiencia energética de los catalizadores que generan gas oxígeno a partir del agua.

“También nos proporciona información crucial sobre los cambios fugaces que ocurren en las reacciones catalíticas impulsadas por fuentes de energía intermitentes”, afirmó Sokaras. “Comprender estos fenómenos impulsará la investigación avanzada, acelerará el desarrollo de tecnologías electroquímicas robustas y posicionará a los laboratorios nacionales para liderar la innovación en la fabricación de energía y productos químicos”, añadió.

Yano, investigador principal del proyecto Liquid Sunlight Alliance (LiSA), financiado por el Departamento de Energía, afirmó: “Observar cómo cambian los estados químicos y en qué escala temporal es fundamental. Este nuevo método es como crear miles de pequeñas ventanas que muestran lo que está sucediendo y nos proporciona información que antes no podíamos obtener”.

Aprovechar la energía del sol

SLAC y Berkeley Lab son dos de los principales socios de LiSA, liderado por el Instituto Tecnológico de California (CTI), que comenzó en 2020 a buscar maneras de convertir el dióxido de carbono en sustancias químicas y combustibles utilizando la energía solar. Este experimento fue el más reciente de muchos que el equipo ha llevado a cabo en SSRL, el cual produce haces de luz de rayos X extremadamente brillantes para impulsar áreas estratégicas de investigación relevantes para los objetivos nacionales.

El nuevo método, espectroscopía de absorción de rayos X con excitación modulada (ME-XAS), fue desarrollado y perfeccionado en SSRL. Permite a los investigadores generar pulsos eléctricos que desencadenan reacciones y modular, o modificar, sus frecuencias, voltajes y formas. Varían la temporización de los pulsos (por ejemplo, una décima de segundo activados, una décima de segundo desactivados) mientras los rayos X rebotan en la superficie de la película de cobre hacia un detector, registrando datos constantemente.

Luego, los datos se clasifican en pequeños grupos que corresponden a los momentos en que los pulsos estuvieron activados o desactivados. El equipo analiza estos datos para encontrar las diferencias más pequeñas perceptibles que coincidan con la sincronización o frecuencia del pulso.

“Cualquier detalle, como fluctuaciones de temperatura, inestabilidad del catalizador o ruidos aleatorios, puede afectar esas diferencias”, afirmó el científico del SLAC, Ángel T. García-Esparza, autor principal del estudio. “Para que funcionara, Dean Skoien, ingeniero del SSRL, tuvo que desarrollar una compleja electrónica personalizada para disparar, registrar y guardar gigabytes de datos mientras los analizaba sobre la marcha”. El análisis también contó con la experiencia del científico del proyecto del Berkeley Lab, Philipp Simon, quien desarrolló rutinas personalizadas que ayudaron a extraer señales significativas de conjuntos de datos altamente dinámicos y fluctuantes.

Este experimento no intentó ejecutar toda la serie de reacciones superficiales que intervienen en una reacción catalítica impulsada por cobre, sino solo algunos pasos iniciales fundamentales. Primero, los iones de hidróxido se adhieren a los átomos de cobre activos en la superficie; luego, se forma óxido cuproso. "Si las reacciones continuaran, dejarían una compleja capa de hidróxido de cobre y óxido cúprico sobre la superficie de la película de cobre que puede afectar el rendimiento del catalizador", afirmó García-Esparza. Por lo tanto, es crucial comprender la cadena de reacciones químicas en detalle para el desarrollo de dispositivos de conversión electroquímica de nueva generación.