Un electrocatalizador en tándem a base de estaño para la síntesis de etanol a través de la reducción de CO₂.

25 de noviembre de 2023 función

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por Ingrid Fadelli , Tech Xplore

La reducción electroquímica del dióxido de carbono (CO2) en varios productos multicarbono es muy deseable, ya que podría ayudar a producir fácilmente productos químicos útiles para una amplia gama de aplicaciones. La mayoría de los catalizadores existentes para facilitar la reducción de CO2 se basan en cobre (Cu), sin embargo, los procesos que sustentan su acción aún no se comprenden bien.

Investigadores de la Academia China de Ciencias, la Universidad de la Ciudad de Hong Kong y otros institutos en China recientemente se propusieron diseñar catalizadores electroquímicos sin Cu más eficientes para la reducción de CO2. Su artículo, publicado en Nature Energy, presenta un nuevo catalizador basado en estaño (Sn), que se encontró que reduce CO2 a etanol (CH3CH2OH) con una selectividad del 80%.

'El descubrimiento del acoplamiento C-C sobre el catalizador Sn1-O3G no fue accidental, sino que se basó en nuestros trabajos anteriores sobre la comprensión del comportamiento CO2RR de los catalizadores de átomos individuales de metal de transición', dijo el profesor Bin Liu, coautor del artículo, a Tech Xplore.

'Específicamente, realizamos experimentos preliminares que implican caracterizaciones estructurales y electroquímicas de varios catalizadores Sn-based CO2RR, incluyendo nanopartículas de Sn metálico, nanoplacas de SnS2, SnS2 en grafeno dopado con nitrógeno, átomos individuales de Sn en grafeno dopado con nitrógeno (Sn-4N) y átomos individuales de Sn en grafeno rico en oxígeno (Sn1-O3G).'

En sus experimentos preliminares, los investigadores encontraron que tanto los catalizadores Sn1-4N como Sn1-O3G podían reducir CO2 a CO con KHCO3 como donante de protones en una solución de CO2RR. Sin embargo, estos catalizadores mostraron un comportamiento diferente en presencia del formato ácido, siendo solo Sn1-O3G el que finalmente produjo etanol.

'Estas observaciones nos llevaron a creer que la diferencia en CO2RR entre los catalizadores Sn1-4N y Sn1-3OG podría deberse a los diferentes entornos de coordinación de Sn', dijo el profesor Liu. 'A partir de ahí, centramos nuestros esfuerzos en comprender el mecanismo de acoplamiento C-C en los sitios catalíticos de Sn coordinados por O y construimos un catalizador en tándem para lograr una CO2RR selectiva a etanol'.

El profesor Liu y sus colegas fabricaron su nuevo electrocatalizador basado en Sn mediante una reacción solvotermal entre SnBr2 y tiourea en una espuma de carbono tridimensional (3D). Luego examinaron su catalizador para caracterizar su estructura.

Sus exámenes sugieren que su catalizador está compuesto por nanoplacas de SnS2 y átomos de Sn dispersos atómicamente. Estos componentes están coordinados en el carbono 3D rico en oxígeno mediante la unión con tres átomos de O (Sn1-O3G).

'Se evaluó el rendimiento electroquímico del catalizador SnS2/Sn1-O3G para CO2RR utilizando cronoamperometría en una celda en forma de H que contiene KHCO3 saturado de CO2 0.5 M', dijo el profesor Liu. 'Nuestro catalizador puede producir etanol de manera reproducible con una eficiencia de Faraday (FE) de hasta 82.5% a -0.9 VRHE y una densidad de corriente geométrica de 17.8 mA cm–2. Además, la FE para la producción de etanol podría mantenerse por encima del 70% en el intervalo de potencial de -0.6 a -1.1 VRHE'.

En evaluaciones iniciales, el catalizador desarrollado por los investigadores logró resultados muy prometedores, produciendo con éxito etanol a partir de una solución de CO2RR con una alta selectividad. Además, se descubrió que el catalizador era estable, manteniendo el 97% de su actividad inicial después de 100 horas de operación.

'Los centros activos duales de átomos de Sn y O en Sn1-O3G sirven para adsorber diferentes intermediarios basados en C, lo que reduce eficazmente la energía de acoplamiento C-C entre *CO(OH) y *CHO', explicó el profesor Liu. 'Nuestro catalizador en tándem permite una vía de acoplamiento formil-bicarbonato, que no solo proporciona una plataforma para la formación de enlaces C-C durante la síntesis de etanol y supera las restricciones de los catalizadores basados en Cu, sino que también ofrece una estrategia para manipular las vías de reducción de CO2 hacia los productos deseados'.

El trabajo reciente de este equipo de investigadores presenta un catalizador alternativo sin Cu para inducir la formación de enlaces C-C y permitir la reducción de CO2 a etanol. En el futuro, su enfoque propuesto podría utilizarse para producir etanol de manera más confiable y también podría aplicarse potencialmente a la síntesis de otros productos químicos deseados mediante la reacción de reducción de CO2.

'The search for more efficient catalysts with dual active sites should be pursued through high-throughput experiments and theoretical calculations,' Prof. Liu added. 'The rate and selectivity of a catalytic reaction are also closely related to the coverage of reaction intermediates on the catalyst's surface.

'Therefore, an in-depth study of factors that affect the residence time of intermediates, such as the pore structure of the support for the Sn1-O3G dual-active sites, would help to deepen understanding of the C-C coupling process. We envisage that tandem catalysis based on the concept of dual-active sites could be extendable to C-X (X = N or S) coupling to prepare other chemicals, such as urea and alanine.'

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