Descubriuse que un mineral do solo amplamente distribuído, o oxihidróxido de α-ferro (III), é un catalizador reciclable para a fotorredución de dióxido de carbono a ácido fórmico. Crédito: Prof. Kazuhiko Maeda
A fotorredución de CO2 a combustibles transportables como o ácido fórmico (HCOOH) é unha boa maneira de combater o aumento dos niveis de CO2 na atmosfera. Para axudar nesta tarefa, un equipo de investigación do Instituto Tecnolóxico de Toquio seleccionou un mineral a base de ferro facilmente dispoñible e cargouno nun soporte de alúmina para desenvolver un catalizador que poida converter eficientemente o CO2 en HCOOH, cunha selectividade de aproximadamente o 90 %!
Os vehículos eléctricos son unha opción atractiva para moita xente, e unha das razóns principais é que non teñen emisións de carbono. Non obstante, unha gran desvantaxe para moitos é a súa falta de autonomía e os longos tempos de carga. Aquí é onde os combustibles líquidos como a gasolina teñen unha gran vantaxe. A súa alta densidade de enerxía significa longas autonomías e recarga rápida.
Cambiar de gasolina ou diésel a un combustible líquido diferente pode eliminar as emisións de carbono e, ao mesmo tempo, manter as vantaxes dos combustibles líquidos. Nunha pila de combustible, por exemplo, o ácido fórmico pode alimentar un motor mentres libera auga e dióxido de carbono. Non obstante, se o ácido fórmico se produce reducindo o CO2 atmosférico a HCOOH, a única saída neta é auga.
O aumento dos niveis de dióxido de carbono na nosa atmosfera e a súa contribución ao quecemento global son agora noticia común. A medida que os investigadores experimentaban con diferentes enfoques para o problema, xurdiu unha solución eficaz: converter o exceso de dióxido de carbono na atmosfera en produtos químicos ricos en enerxía.
A produción de combustibles como o ácido fórmico (HCOOH) mediante a fotorredución do CO2 na luz solar atraeu moita atención recentemente porque o proceso ten un dobre beneficio: reduce o exceso de emisións de CO2 e tamén axuda a minimizar a escaseza de enerxía á que nos enfrontamos actualmente. Como excelente portador de hidróxeno con alta densidade de enerxía, o HCOOH pode proporcionar enerxía mediante a combustión e libera só auga como subproduto.
Para facer realidade esta lucrativa solución, os científicos desenvolveron sistemas fotocatalíticos que reducen o dióxido de carbono coa axuda da luz solar. Este sistema consiste nun substrato que absorbe a luz (é dicir, un fotosensibilizador) e un catalizador que permite a transferencia de múltiples electróns necesaria para a redución de CO2 a HCOOH. E así comezou a buscar catalizadores axeitados e eficientes!
Redución fotocatalítica do dióxido de carbono mediante infografías de compostos de uso común. Crédito: Profesora Kazuhiko Maeda
Debido á súa eficiencia e potencial reciclabilidade, os catalizadores sólidos considéranse os mellores candidatos para esta tarefa e, ao longo dos anos, exploráronse as capacidades catalíticas de moitos marcos metalorgánicos (MOF) a base de cobalto, manganeso, níquel e ferro, entre os cales este último ten algunhas vantaxes sobre outros metais. Non obstante, a maioría dos catalizadores a base de ferro reportados ata o de agora só producen monóxido de carbono como produto principal, non HCOOH.
Non obstante, este problema foi resolto rapidamente por un equipo de investigadores do Instituto Tecnolóxico de Toquio (Tokyo Tech) dirixido polo profesor Kazuhiko Maeda. Nun estudo recente publicado na revista química Angewandte Chemie, o equipo demostrou un catalizador a base de ferro soportado en alúmina (Al2O3) utilizando oxihidróxido de α-ferro(III) (α-FeO​​​OH; xeotita). O novo catalizador α-FeO​​​OH/Al2O3 presenta un excelente rendemento de conversión de CO2 a HCOOH e unha excelente reciclabilidade. Cando se lles preguntou pola súa elección de catalizador, o profesor Maeda dixo: «Queremos explorar elementos máis abundantes como catalizadores en sistemas de fotorredución de CO2. Necesitamos un catalizador sólido que sexa activo, reciclable, non tóxico e económico. Por iso escollemos minerais do solo amplamente distribuídos como a goetita para os nosos experimentos».
O equipo empregou un método de impregnación sinxelo para sintetizar o seu catalizador. Despois, empregaron materiais de Al₂O₃ soportados en ferro para reducir fotocataliticamente o CO₂ a temperatura ambiente en presenza dun fotosensibilizador a base de rutenio (Ru), un doante de electróns e luz visible con lonxitudes de onda superiores a 400 nanómetros.
Os resultados son moi alentadores. A selectividade do seu sistema para o produto principal HCOOH foi do 80–90 % cun rendemento cuántico do 4,3 % (o que indica a eficiencia do sistema).
Este estudo presenta un catalizador sólido a base de ferro, o primeiro do seu tipo, que pode xerar HCOOH cando se combina cun fotosensibilizador eficiente. Tamén analiza a importancia dun material de soporte axeitado (Al2O3) e o seu efecto na reacción de redución fotoquímica.
Os coñecementos desta investigación poden axudar a desenvolver novos catalizadores libres de metais nobres para a fotorredución do dióxido de carbono a outros produtos químicos útiles. «A nosa investigación demostra que o camiño cara a unha economía de enerxía verde non é complicado. Mesmo os métodos sinxelos de preparación de catalizadores poden producir excelentes resultados, e é ben sabido que os compostos abundantes na Terra, se están apoiados por compostos como a alúmina, poden usarse como catalizador selectivo para a redución do CO2», conclúe o profesor Maeda.
Referencias: "Oxihidróxido de alfa-ferro soportado por alúmina (III) como catalizador sólido reciclable para a fotoreducción de CO2 baixo luz visible" por Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Yoshinobu Kamakura, Prof. Yoshinobu. Kazuhiko Maeda, 12 de maio de 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"Aí é onde os combustibles líquidos como a gasolina teñen unha gran vantaxe. A súa alta densidade enerxética significa longas autonomías e recarga rápida."
Que che parecen algúns números? Como se compara a densidade enerxética do ácido fórmico coa da gasolina? Cun só átomo de carbono na fórmula química, dubido que se achegue sequera á da gasolina.
Ademais diso, o cheiro é moi tóxico e, como ácido, é máis corrosivo que a gasolina. Estes non son problemas de enxeñaría irresolubles, pero a menos que o ácido fórmico ofreza vantaxes significativas para aumentar a autonomía e reducir o tempo de recarga da batería, probablemente non pague a pena o esforzo.
Se planeasen extraer goethita do solo, sería unha operación mineira que require moita enerxía e sería potencialmente prexudicial para o medio ambiente.
Poderían mencionar moita goethita no solo, xa que sospeito que se necesitaría máis enerxía para obter as materias primas necesarias e facelas reaccionar para sintetizar goethita.
É necesario analizar o ciclo de vida completo do proceso e calcular o custo enerxético de todo. A NASA non atopou tal cousa como un lanzamento gratuíto. Outros deben ter isto en conta.
SciTechDaily: O fogar das mellores noticias tecnolóxicas desde 1998. Mantéñase ao día das últimas noticias tecnolóxicas por correo electrónico ou redes sociais.
Só pensar nos sabores afumados e embriagadores da barbacoa xa fai que a maioría da xente salive. Xa chegou o verán e, para moitos…