Cientistas de Brookhaven são fotografados na linha de luz 8-ID NSLS-II, onde eles usaram raios-X ultrabrilhantes para 'ver' a complexidade química de um novo material catalítico. Na imagem da esquerda para a direita estão Klaus Attenkofer, Dong Su, Sooyeon Hwang, e Eli Stavitski. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Imagine se o dióxido de carbono (CO 2 ) pode ser facilmente convertido em energia utilizável. Cada vez que você respira ou dirige um veículo motorizado, você produziria um ingrediente-chave para a geração de combustíveis. Como a fotossíntese nas plantas, nós poderíamos virar CO 2 em moléculas que são essenciais para a vida cotidiana. Agora, os cientistas estão um passo mais perto.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) fazem parte de uma colaboração científica que identificou um novo eletrocatalisador que converte CO de maneira eficiente 2 a monóxido de carbono (CO), uma molécula altamente energética. Suas descobertas foram publicadas em 1º de fevereiro em Energia e Ciência Ambiental .
"Existem muitas maneiras de usar o CO, "disse Eli Stavitski, um cientista em Brookhaven e um autor no jornal. "Você pode reagir com água para produzir gás hidrogênio rico em energia, ou com hidrogênio para produzir produtos químicos úteis, tais como hidrocarbonetos ou álcoois. Se houvesse um ambiente sustentável, rota econômica para transformar CO 2 para CO, isso beneficiaria muito a sociedade. "
Os cientistas há muito procuram uma maneira de converter CO 2 para CO, mas os eletrocatalisadores tradicionais não podem efetivamente iniciar a reação. Isso ocorre porque uma reação competitiva, chamada de reação de evolução de hidrogênio (HER) ou "divisão da água, "tem precedência sobre o CO 2 reação de conversão.
Alguns metais nobres, como ouro e platina, pode evitá-la e converter CO 2 para CO; Contudo, esses metais são relativamente raros e muito caros para servir como catalisadores econômicos. Então, converter CO 2 para CO de uma forma econômica, os cientistas usaram uma forma inteiramente nova de catalisador. Em vez de nanopartículas de metal nobre, eles usaram átomos únicos de níquel.
"Metal de níquel, a granel, raramente foi selecionado como um candidato promissor para converter CO 2 para CO, "disse Haotian Wang, um Rowland Fellow na Universidade de Harvard e o autor correspondente no artigo. "Um dos motivos é que ela funciona muito bem, e reduz o CO 2 seletividade de redução drasticamente. Outra razão é porque sua superfície pode ser facilmente envenenada por moléculas de CO, se alguma for produzida. "
Átomos únicos de níquel, Contudo, produzir um resultado diferente.
"Os átomos individuais preferem produzir CO, ao invés de realizar o competidor HER, porque a superfície de um metal a granel é muito diferente de átomos individuais, "Stavitski disse.
Klaus Attenkofer, também um cientista de Brookhaven e co-autor do artigo, adicionado, "A superfície de um metal tem um potencial de energia - é uniforme. Enquanto que em um único átomo, cada lugar na superfície tem um tipo diferente de energia. "
Além das propriedades energéticas únicas de átomos individuais, o CO 2 a reação de conversação foi facilitada pela interação dos átomos de níquel com uma folha de grafeno circundante. Ancorar os átomos ao grafeno permitiu aos cientistas sintonizar o catalisador e suprimir HER.
Para dar uma olhada mais de perto nos átomos de níquel individuais dentro da folha de grafeno atomicamente fina, os cientistas usaram microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) no Centro de Nanomateriais Funcionais de Brookhaven (CFN), um DOE Office of Science User Facility. Ao escanear uma sonda de elétrons sobre a amostra, os cientistas foram capazes de visualizar átomos de níquel discretos no grafeno.
"Nosso microscópio eletrônico de transmissão de última geração é uma ferramenta única para ver características extremamente pequenas, como átomos simples, "disse Sooyeon Hwang, cientista do CFN e co-autor do artigo.
"Os átomos individuais são geralmente instáveis e tendem a se agregar no suporte, "adicionou Dong Su, também cientista do CFN e co-autor do artigo. "Contudo, descobrimos que os átomos de níquel individuais foram distribuídos uniformemente, o que representou o excelente desempenho da reação de conversão. "
Para analisar a complexidade química do material, os cientistas usaram a linha de luz 8-ID no National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - também um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab. A luz ultrabrilhante de raios-X no NSLS-II permitiu aos cientistas "ver" uma visão detalhada da estrutura interna do material.
"Fótons, ou partículas de luz, interagir com os elétrons nos átomos de níquel para fazer duas coisas, "Stavitski disse." Eles enviam os elétrons para estados de energia mais elevados e, mapeando esses estados de energia, podemos entender a configuração eletrônica e o estado químico do material. À medida que aumentamos a energia dos fótons, eles chutam os elétrons dos átomos e interagem com os elementos vizinhos. "Em essência, isso forneceu aos cientistas uma imagem da estrutura local dos átomos de níquel.
Com base nos resultados dos estudos em Harvard, NSLS-II, CFN, e outras instituições, os cientistas descobriram que átomos de níquel únicos catalisaram o CO 2 reação de conversão com um máximo de 97 por cento de eficiência. Os cientistas dizem que este é um grande passo para a reciclagem de CO 2 para energia utilizável e produtos químicos.
"Para aplicar esta tecnologia a aplicações reais no futuro, atualmente pretendemos produzir este catalisador de átomo único de uma forma barata e em grande escala, enquanto melhora seu desempenho e mantém sua eficiência, "disse Wang.
