Visualização de uma mudança da economia poluidora do ar baseada em combustíveis fósseis para uma economia limpa baseada em energia renovável, que é facilitado pela conversão eletrocatalítica de CO abundante 2 a combustíveis e outros produtos químicos úteis. O gargalo desta reação é a ativação de um CO linear 2 molécula para o carboxilato CO adsorvido 2 ? com uma geometria semelhante a uma cadeira. Crédito:Irina Chernyshova e Sathish Ponnurangam / Columbia Engineering
Usando espectroscopia Raman de superfície aprimorada, Os engenheiros da Columbia são os primeiros a observar como o CO 2 é ativado na interface eletrodo-eletrólito; sua descoberta muda o design do catalisador do paradigma de tentativa e erro para uma abordagem racional e pode levar a alternativas, mais barato, e armazenamento mais seguro de energia renovável
Nova york, NY — 17 de setembro, 2018 - Os cientistas há muito procuram maneiras de converter CO abundante 2 a produtos úteis, como produtos químicos e combustível. Já em 1869, eles foram capazes de converter CO eletrocataliticamente 2 para ácido fórmico. Nas últimas duas décadas, a ascensão do CO 2 na atmosfera da Terra acelerou significativamente a pesquisa em CO 2 conversão usando recursos de energia renovável, incluindo solar, vento, e maré. Porque esses recursos são intermitentes, o sol não brilha todos os dias, nem o vento sopra constantemente - como armazenar energia renovável de forma segura e econômica é um grande desafio.
Pesquisa recente em CO eletrocatalítico 2 a conversão aponta o caminho para o uso de CO 2 como matéria-prima e eletricidade renovável como fonte de energia para a síntese de diferentes tipos de combustível e produtos químicos de valor agregado, como etileno, etanol, e propano. Mas os cientistas ainda não entendem nem mesmo a primeira etapa dessas reações - CO 2 ativação, ou a transformação do CO linear 2 molécula na superfície do catalisador ao aceitar o primeiro elétron. Conhecer a estrutura exata do CO ativado 2 é essencial porque sua estrutura dita o produto final da reação e seu custo de energia. Esta reação pode começar em várias etapas iniciais e percorrer muitos caminhos, dando normalmente uma mistura de produtos. Se os cientistas descobrirem como o processo funciona, eles serão mais capazes de promover ou inibir seletivamente certas vias, o que levará ao desenvolvimento de um catalisador comercialmente viável para esta tecnologia.
Pesquisadores da Columbia Engineering anunciaram hoje que resolveram a primeira peça do quebra-cabeça - eles provaram que o CO 2 eletrredução começa com um intermediário comum, não dois como comumente se pensava. Eles aplicaram um conjunto abrangente de métodos experimentais e teóricos para identificar a estrutura do primeiro intermediário de CO 2 eletrorredução:carboxilato CO 2 —Que está ligado à superfície com átomos de C e O. Sua descoberta, publicado online hoje em PNAS , veio com a aplicação de espalhamento Raman aprimorado de superfície (SERS) em vez da espectroscopia infravermelha aprimorada de superfície mais frequentemente usada (SEIRAS). Os resultados espectroscópicos foram corroborados por modelagem química quântica.
"Nossas descobertas sobre o CO 2 a ativação abrirá a porta para uma gama incrivelmente ampla de possibilidades:se pudermos compreender totalmente o CO 2 eletrredução, seremos capazes de reduzir nossa dependência de combustíveis fósseis, contribuindo para a mitigação das mudanças climáticas, "diz a autora principal do jornal, Irina Chernyshova, cientista pesquisador associado, departamento de engenharia terrestre e ambiental. "Além disso, nossa visão sobre CO 2 ativação na interface sólido-água permitirá aos pesquisadores modelar melhor os cenários prebióticos do CO 2 a moléculas orgânicas complexas que podem ter levado à origem da vida em nosso planeta. "
Eles decidiram usar SERS em vez de SEIRAS para suas observações porque descobriram que SERS tem várias vantagens significativas que permitem uma identificação mais precisa da estrutura do intermediário de reação. Mais importante, os pesquisadores foram capazes de medir os espectros vibracionais de espécies formadas na interface eletrodo-eletrólito ao longo de toda a faixa espectral e em um eletrodo operacional (em operandi). Usando simulações de química quântica e métodos eletroquímicos convencionais, os pesquisadores foram capazes de obter a primeira visão detalhada de como o CO 2 é ativado na interface eletrodo-eletrólito.
Compreender a natureza do primeiro intermediário de reação é uma etapa crítica para a comercialização do CO eletrocatalítico 2 conversão em produtos químicos úteis. Ele cria uma base sólida para a mudança do paradigma de tentativa e erro para o design racional do catalisador. "Com este conhecimento e poder computacional, "diz o co-autor do jornal Sathish Ponnurangam, um ex-aluno de graduação e pós-doutorado no laboratório de Somasundaran que agora é professor assistente de engenharia química e de petróleo na Universidade de Calgary, Canadá, "os pesquisadores serão capazes de prever com mais precisão a reação em diferentes catalisadores e especificar os mais promissores, que pode ser posteriormente sintetizado e testado. "
"Os experimentos da Columbia Engineering fornecem tantos detalhes que devemos ser capazes de obter uma validação muito definitiva dos modelos computacionais, "diz William Goddard, Charles e Mary Ferkel, Professor de Química, Ciência de materiais, e Física Aplicada na CalTech, que não estava envolvido com o estudo. "Espero que junto com a nossa teoria, os experimentos de engenharia de Columbia fornecerão mecanismos precisos a serem estabelecidos e que examinando como os mecanismos mudam para diferentes ligas, estruturas de superfície, eletrólitos, aditivos, deve permitir a otimização dos eletrocatalisadores para cuspir água (combustíveis solares), CO 2 redução de combustíveis e matérias-primas orgânicas, Redução de N2 para NH3 para obter fertilizantes muito mais baratos, todos os principais problemas que a sociedade enfrenta para obter energia e alimentos para acomodar nossa população em expansão. "
A eletrocatálise e a fotocatálise (a chamada fotossíntese artificial) estão entre as formas mais promissoras de obter armazenamento eficaz de energia renovável. CO 2 a eletrorredução tem capturado a imaginação dos pesquisadores há mais de 150 anos devido à sua semelhança com a fotossíntese. Assim como uma planta converte a luz do sol em energia química, um catalisador converte elétrons fornecidos por energia renovável em energia química que é armazenada em produtos reduzidos de CO 2 . Além de sua aplicação para energia renovável, a tecnologia de eletrocatálise também pode permitir missões tripuladas a Marte e colônias, fornecendo combustível para a viagem de retorno e produtos químicos carbonosos do CO 2 isso constitui 95 por cento da atmosfera desse planeta.
"Esperamos que nossas descobertas e metodologia estimulem o trabalho sobre como fazer funcionar mais rápido e com menor custo de energia, não apenas eletrocatalítico, mas também CO fotocatalítico 2 redução, "diz Ponisseril Somasundaran, LaVon Duddleson Krumb Professor de Engenharia Mineral, Departamento de Engenharia Terrestre e Ambiental. "No último caso, um catalisador reduz o CO 2 usando luz solar direta. Mesmo que essas duas abordagens sejam experimentalmente diferentes, elas são microscopicamente semelhantes - ambas começam com a ativação de CO 2 após a transferência de elétrons de uma superfície de catalisador. Neste ponto, Acredito que ambas as abordagens irão dominar o futuro. "
A equipe agora está trabalhando para descobrir as etapas de reação subsequentes - para ver como o CO 2 é posteriormente transformado - e para desenvolver catalisadores superiores com base em elementos abundantes em terra, como Cu (cobre) e Sn (estanho).
O estudo é intitulado "Sobre a origem do indescritível primeiro intermediário da eletrorredução de CO2".
