Una catálisis biomimética artificial que convierte CO2 en combustibles ecológicos

Antecedentes

El desarrollo social y la crisis energética han aumentado la demanda de combustibles químicos. Además, las crecientes concentraciones de CO ₂ en la atmósfera debido a actividades humanas como la combustión excesiva de combustibles fósiles, la emisión de gases de escape y la respiración han tenido una serie de impactos terribles que incluyen el calentamiento global, la desertificación y el aumento del nivel del mar. Una de las mayores innovaciones en la mitigación de la crisis energética y el efecto invernadero fue la conversión de gases de efecto invernadero CO ₂ en compuestos de materias primas químicas para combustibles como CH ₄ , CO y otras moléculas pequeñas con luz visible (se llama fotorreducción, en la jerga científica) [1]. La superioridad más notable de la fotorreducción es que puede ser impulsada por la luz visible en comparación con la electrorreducción que se activa mediante la aplicación de voltaje o reducción térmica con alta temperatura. Además, aproximadamente la mitad de la luz solar se encuentra en el rango visible. Sin embargo, la baja tasa de producción y la selectividad debido a múltiples vías de reacción y una variedad de productos limitan severamente la aplicación práctica a gran escala de CO ₂ reducción.

Los desafíos en la reducción catalítica de CO ₂ a los combustibles de valor agregado que se basan idealmente en elementos baratos y abundantes en la tierra en lugar de metales preciosos son la eficiencia, la estabilidad y la selectividad [2]. Hasta ahora, los principales métodos que abordan estos desafíos se han dividido en tres categorías:detección de metales de transición [3] con alta actividad catalítica como sitios activos como Fe, Co y Ni; formación de estructuras macrocíclicas orgánicas para mejorar la estabilidad a largo plazo [4]; y modificación del ligando [5] para fortalecer la selectividad de producto deseada. En cada enfoque, el elemento metálico seleccionado y el diseño estructural contribuyen al rendimiento catalítico final y a la selectividad del producto.

Las estructuras macrocíclicas orgánicas (OMS) que encadenan elementos de metales de transición son catalizadores muy populares utilizados en CO ₂ reducción, donde los elementos metálicos actúan como sitios catalíticos activos para adsorber y unir el CO ₂ moléculas [6]. El OMS microporoso puede ofrecer una superficie específica más grande, es decir, sitios más activos para soportar reacciones catalíticas. Sin embargo, es posible que el OMS original no posea el rendimiento catalítico optimizado. La optimización de la estructura, como la modificación del ligando, mejoraría la actividad catalítica, especialmente la selectividad del producto, al inducir interacciones internas como enlaces H que pueden estabilizar los intermedios específicos a favor de obtener los productos deseados.

Experimental

Inspirado en la fotosíntesis de plantas, Rao et al. [7] diseñó de manera creativa un sistema fotocatalítico biomimético basado en un catalizador de hierro molecular que milagrosamente produjo CH ₄ de CO ₂ a temperatura y presión ambiente. Un descubrimiento tan importante y fronterizo fue publicado en Nature.

Rao y sus colaboradores diseñaron juiciosamente un complejo de hierro (elemento de metal de transición) tetrafenilporfirina (estructura macrocíclica orgánica) funcionalizado con grupos trimetilamonio (modificación del ligando) como catalizador para reducir el CO ₂ . Este sistema catalítico se hizo funcionar en un CO ₂ -acetonitrilo saturado (CH ₃ CN) que contiene un fotosensibilizador de luz visible que tiene como objetivo capturar fotones de la irradiación de luz y proporcionar energía (hυ) para las reacciones redox, así como un donante de electrones de sacrificio utilizado para proporcionar electrones por comando fotoinducido por fotosensibilizador para reducir el CO ₂ . Todo el sistema era significativamente estable y funcionaba con luz visible ( λ > 420 nm) a 1 atm y temperatura ambiente.

Discusión

Además, Rao et al. informó por primera vez que el sistema catalítico anterior, cuyo catalizador era conocido como el electrocatalizador molecular más eficiente y selectivo para reducir el CO ₂ a CO en el proceso de dos electrones, también podría aplicarse para la reducción de ocho electrones [8] de CO ₂ a CH ₄ . Encontraron una función completamente nueva de este catalizador de hierro molecular en condiciones moderadas. Mientras tanto, los autores analizaron y verificaron el mecanismo de reacción del procedimiento de dos pasos que primero redujo el CO ₂ a CO y luego convertir CO a CH ₄ con 82% de CH ₄ selectividad mediante experimentos de marcaje de isótopos y experimentos en blanco por primera vez. Además, también encontraron que una condición de metaácido podría desempeñar un papel de donante de protones así como donante de enlace H hacia intermedios estabilizados [7, 9], pero la selectividad de hidrógeno como subproducto no deseado aumentaría tampoco.

Gas de efecto invernadero CO ₂ las moléculas se adsorbieron en la superficie del catalizador o más precisamente en los sitios activos de Fe metálico y se distorsionaron desde la estructura lineal hasta un cierto ángulo; así CO ₂ las moléculas se activaron [10] y formaron Fe-CO ₂ efectuar la aducción. Además, este aducto fue protonado aún más al reaccionar con H ⁺ de la solución y se formó un aducto de Fe-CO que deshidrató un H ₂ O molécula. Los intermedios de CO podrían obtenerse mediante hidrogenación en este momento. Luego, las moléculas de CO se unieron a los sitios activos del metal nuevamente a través del proceso posterior de protonación de múltiples pasos y transferencia de electrones y procedieron a producir CH ₄ el gas finalmente se desorbe de la superficie del catalizador. Más tarde, este catalizador se reutilizó para el siguiente ciclo catalítico de CO ₂ moléculas (Fig. 1).

Un mapa esquemático de la fotorreducción de CO ₂ a CH ₄

Conclusiones

El sistema catalítico que diseñaron era bifuncional, para catalizar no solo la reducción relativamente simple de dos electrones a CO, sino también la reducción de ocho electrones a CH ₄ utilizando solo un catalizador en condiciones muy fáciles de satisfacer. Este fue un gran progreso porque un catalizador puede catalizar eficientemente una determinada reacción en general. El inspirador descubrimiento de Rao et al. despertó gran interés en la fotorreducción de CO ₂ al valor agregado de CH ₄ y ha inspirado futuros esfuerzos en este campo. Un inconveniente de este informe es que los autores aún no han descifrado el mecanismo de reducción con mayor detalle; de lo contrario, ayudará a desarrollar un sistema catalítico más eficiente mejorado desde los aspectos del mecanismo. Se puede producir combustible de gas más barato cuando se mejora la tasa de producción mediante la optimización de la estructura y las condiciones.

El sistema catalítico diseñado por Rao et al. tiene otras propiedades prometedoras además de las descritas aquí. Por ejemplo, puede convertir el gas tóxico CO en combustible verde CH ₄ solo por irradiación de luz. Una conversión tan simple pero significativa podría guiar una nueva moda para convertir los desechos en riqueza de manera ambiental y eficiente. La aplicación y el desarrollo de su descubrimiento podrían formar la base de una nueva rama de CO ₂ fotorreducción o conversión de gas tóxico.

Heteroestructura jerárquica de esferas huecas de ZnO @ TiO2 para una evolución fotocatalítica de hidrógeno altamente eficiente Síntesis de nanocristales de ZnO y aplicación en células solares de polímero invertido