Un paso clave hacia la reutilización del CO 2 para producir combustibles sustentables es encadenar átomos de carbono, y un sistema de fotosíntesis artificial desarrollado en la Universidad de Michigan puede unir dos de ellos para formar hidrocarburos con un rendimiento líder en el campo.
por la Universidad de Michigan
El sistema produce etileno con una eficiencia, rendimiento y longevidad muy superiores a los de otros sistemas de fotosíntesis artificial. El etileno es un hidrocarburo que se utiliza normalmente en plásticos, por lo que una aplicación directa del sistema sería la recolección de dióxido de carbono que, de otro modo, se liberaría a la atmósfera para fabricar plásticos.
«El rendimiento, o la actividad y la estabilidad, es aproximadamente cinco a seis veces mejor que lo que normalmente se informa para la reducción de dióxido de carbono a etileno impulsada por la energía solar o la luz», dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan y autor correspondiente del estudio en Nature Synthesis.
«El etileno es, en realidad, el compuesto orgánico más producido en el mundo, pero normalmente se produce con petróleo y gas, a altas temperaturas y presiones, todo lo cual emite CO2 « .
El objetivo a largo plazo es unir cadenas más largas de átomos de carbono e hidrógeno para producir combustibles líquidos que puedan transportarse fácilmente. Parte del desafío es eliminar todo el oxígeno del CO2 como fuente de carbono y el agua, H2O , como fuente de hidrógeno.
El dispositivo absorbe la luz a través de dos tipos de semiconductores: un bosque de nanocables de nitruro de galio, cada uno de apenas 50 nanómetros (unos cientos de átomos) de ancho, y la base de silicio sobre la que se han cultivado. La reacción que transforma el agua y el dióxido de carbono en etileno tiene lugar en grupos de cobre, cada uno con unos 30 átomos, que salpican los nanocables.
Los nanocables se sumergen en agua enriquecida con dióxido de carbono y se exponen a una luz equivalente a la del sol al mediodía. La energía de la luz libera electrones que dividen el agua cerca de la superficie de los nanocables de nitruro de galio. Esto crea hidrógeno para alimentar la reacción del etileno, pero también oxígeno que el nitruro de galio absorbe para convertirse en óxido de nitruro de galio.
El cobre es capaz de retener el hidrógeno y el carbono del dióxido de carbono, convirtiéndolo en monóxido de carbono. Con el hidrógeno en la mezcla y una inyección de energía de la luz, el equipo cree que dos moléculas de monóxido de carbono se unen con el hidrógeno. Se cree que la reacción se completa en la interfaz entre el cobre y el óxido de nitruro de galio, donde los dos átomos de oxígeno se eliminan y se reemplazan con tres átomos de hidrógeno provenientes de la descomposición del agua.
El equipo descubrió que el 61% de los electrones libres que los semiconductores generaron con la luz contribuyeron a la reacción para producir etileno. Si bien un catalizador diferente basado en plata y cobre logró una eficiencia similar de aproximadamente el 50%, necesitaba funcionar en un fluido basado en carbono y solo pudo funcionar durante unas pocas horas antes de degradarse. En cambio, el dispositivo del equipo de Michigan funcionó durante 116 horas sin disminuir la velocidad y el equipo ha hecho funcionar dispositivos similares durante 3000 horas.
Esto se debe en parte a la relación sinérgica entre el nitruro de galio y el proceso de separación del agua: la adición de oxígeno mejora el catalizador y permite un proceso de autocuración. Los límites de la longevidad del dispositivo se explorarán en trabajos futuros.
Finalmente, el dispositivo produjo etileno a un ritmo más de cuatro veces superior al de los sistemas competidores más cercanos.
«En el futuro, queremos producir otros compuestos multicarbonados como propanol con tres carbonos o productos líquidos», dijo Bingxing Zhang, científico investigador asistente de la UM en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del artículo.
Los combustibles líquidos, que podrían permitir que muchas tecnologías de transporte existentes sean sostenibles, son el objetivo final de Mi.
Más información: Zhang, B. et al, Fotocátodo de GaN/cúmulo de Cu acoplado interfacialmente para una conversión eficiente de CO2 a etileno, Nature Synthesis (2024). DOI: 10.1038/s44160-024-00648-9
