La evolución de un catalizador de cobre que puede convertir CO₂ en productos químicos y combustibles valiosos
Celda de flujo electroquímico XAS. Crédito: Energía y Ciencias Ambientales (2025). Doi: 10.1039/d5ee01068c
El cobre es el catalizador más prometedor para convertir el dióxido de carbono en valiosas materias primas químicas y combustibles líquidos a través de reacciones impulsadas por la electricidad. Pero esas reacciones no son tan eficientes o selectivas como es necesario, y los reactores electroquímicos donde tienen lugar no son lo suficientemente resistentes como para el despliegue a escala industrial.
A pesar de décadas de trabajo y progreso, los investigadores no han podido arreglar esos defectos, porque no han tenido una forma 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 lo demás.
Ahora los investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador Nacional del Departamento de Energía y el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han desarrollado una forma de hacerlo.
En lugar de ejecutar el reactor electroquímico continuamente, lo encendieron y apagaron varias veces por segundo mientras sondeaban el catalizador con radiografías del sincrotrón de SLAC, el syanford sincrotrón de radiación lucesurce (SSRL). Luego analizaron los datos de rayos X de los breves intervalos cuando se encendieron los pulsos eléctricos y los átomos de catalizador estaban activos.
Al igual que una luz estroboscópica intermitente, esta técnica claramente iluminó los pasos individuales de las reacciones cercanas a la superficie y permitió a los científicos cronometrarlos a unas pocas milésimas de segundo, todo mientras el reactor se ejecutaba en condiciones de funcionamiento realistas.
El equipo de investigación, dirigido por el científico senior de SSRL Dimosthenis Sokaras y el científico senior de Berkeley Lab Junko Yano, publicó su trabajo en la revista Energy & Environmental Science.
Su enfoque novedoso es adecuado para estudiar una amplia gama de tecnologías de conversión electroquímica, como electrolizeros, celdas 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 del agua.
“También nos da información crítica sobre los cambios fugaces que ocurren en las reacciones catalíticas impulsadas por fuentes de energía intermitentes”, dijo Sokaras. “Comprender estos fenómenos impulsará la investigación avanzada, acelerará el desarrollo de tecnologías electroquímicas robustas y posicionará los laboratorios nacionales para liderar la innovación en la fabricación de energía y químicos”.
Yano, que es investigador principal del proyecto Liquid Sunlight Alliance (LISA), dijo: “Ver cómo cambian los estados químicos y en qué escala de tiempo es muy importante. Este nuevo método es como crear miles de pequeñas ventanas en lo que está sucediendo, y nos da información que no podríamos obtener antes”.
Aprovechar la energía del sol
SLAC y Berkeley Lab son dos de los principales socios de Lisa, dirigidos por el Instituto de Tecnología de California, que comenzó en 2020 para buscar formas de convertir el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles con energía del sol. Este experimento fue el último de muchos que el equipo ha llevado a cabo en SSRL, que produce rayos extremadamente brillantes de luz de rayos X para avanzar en áreas estratégicas de investigación relevantes para los objetivos nacionales.
El nuevo método, la espectroscopía de absorción de rayos X de excitación de modulación (ME-XAS), se desarrolló y refinó en SSRL. Permite a los investigadores generar pulsos eléctricos que activan la reacción y modular o cambiar sus frecuencias, voltajes y formas. Varían el momento de los pulsos, por ejemplo, una décima de segundo, una décima de segundo, mientras que los rayos X rebotan en la superficie de la película de cobre y en un detector, registrando datos todo el tiempo.
Luego, los datos se clasifican en pequeños contenedores correspondientes a los momentos en que los pulsos estaban encendidos o apagados. El equipo revuelve estos datos para encontrar las diferencias discernibles más pequeñas que coinciden con el momento o la frecuencia del pulso.
“Cualquier pequeña cosa, fluctuaciones en la temperatura, inestabilidad del catalizador, ruidos aleatorios) puede afectar esas diferencias”, dijo el científico del personal de SLAC Angel T. García-Esparza, autor principal del estudio. “Para que funcione, Dean Skoien, un ingeniero de personal de SSRL, tuvo que desarrollar electrónica personalizada compleja para activar, registrar y guardar gigabytes de datos mientras los analizaba sobre la marcha”.
El esfuerzo de análisis también recurrió a la experiencia del científico del proyecto de laboratorio de Berkeley 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 se destinan a una reacción catalítica impulsada por el cobre, solo algunos primeros pasos fundamentales. Primero, los iones de hidróxido se adhieren a átomos de cobre activos en la superficie; Entonces se forma óxido cuproso.
“Si las reacciones continuaran más, dejarían un revestimiento complejo de hidróxido de cobre y óxido cúprico en la superficie de la película de cobre que puede afectar la forma en que funciona el catalizador”, dijo García-Esparza. Por lo tanto, es crucial comprender la cadena de reacciones químicas con gran detalle para el desarrollo de dispositivos de conversión electroquímica de próxima generación.
Más información: Angel T. García-ESparza et al, la interfaz electrodo-electrolítica de Cu a través de espectroscopía de absorción de rayos X de excitación de modulación, ciencias energéticas y ambientales (2025). Doi: 10.1039/d5ee01068c
Proporcionado por el Laboratorio de Acelerador Nacional SLAC
Cita: La evolución de un catalizador de cobre que puede convertir CO₂ en productos químicos y combustibles valiosos (2025, 30 de abril) recuperó el 30 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-evolution-copper-catalst-co8322-valiable.html
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