Os químicos desenvolveram uma estrutura em nanoescala que combina cobre, ouro e prata para funcionar como um catalisador superior em uma reação química cujo desempenho aprimorado será essencial para que os esforços de captura e utilização de carbono sejam bem-sucedidos e ajudem a mitigar o aquecimento global.
Um estudo descrevendo o processo apareceu na revista Nano Research em 15 de março.

Diante do desafio das mudanças climáticas, os formuladores de políticas têm se concentrado cada vez mais nos últimos anos na captura e utilização de carbono (CCU), em que o CO₂ é retirado da atmosfera e depois usado como matéria-prima para produtos químicos industriais (como monóxido de carbono, ácido fórmico, etileno e etanol) ou para a produção de combustíveis sintéticos neutros em carbono (especialmente úteis para setores de transporte de difícil eletrificação como a aviação e o transporte marítimo de longo curso). Desde que o último processo seja alimentado por eletricidade limpa, ele também oferece uma maneira de armazenar energia renovável a longo prazo – o santo graal de superar a intermitência de opções de energia, como eólica e solar.

Um meio possível de fazer tudo isso é através de uma reação química chamada CO₂ eletroquímica reação de redução (eCO₂ RR, ou simplesmente ECR). Isso usa eletricidade para alimentar a conversão do gás em outras substâncias utilizáveis, separando o CO₂ átomos de carbono de seus átomos de oxigênio. A água também pode fornecer "doadores" de hidrogênio em algumas variedades de ECR, onde os átomos de carbono são combinados com hidrogênio para produzir várias espécies de hidrocarbonetos ou álcoois.

A chave para o ECR é usar o catalisador certo, ou substância química cuja estrutura e carga permitem iniciar ou acelerar uma reação química. Vários metais diferentes têm sido usados ​​como catalisadores, dependendo do produto final desejado. Catalisadores que empregam apenas um tipo de metal incluem estanho para produzir ácido fórmico, prata para monóxido de carbono (CO) e cobre para metano, etileno ou etanol.

No entanto, o desempenho do processo pode ser limitado quando o ECR compete com a tendência dos átomos de hidrogênio dentro da divisão eletroquímica da água de se unirem a si mesmos em vez de se unirem aos átomos de carbono. Essa competição pode levar à produção (ou "seleção") de um produto químico final diferente do desejado. Como resultado, os químicos há muito procuram catalisadores com alta "seletividade".

Recentemente, em vez de usar apenas um único metal como catalisador, os pesquisadores se voltaram para o uso de heteroestruturas que incorporam dois materiais distintos cujas propriedades combinadas produzem resultados diferentes ou superiores a qualquer um dos materiais individuais por conta própria.

Algumas das heteroestruturas que foram testadas para ECR incluem a combinação de prata e paládio em uma formação ramificada (AgPd "nanodentritos") e várias outras combinações de dois metais em formas semelhantes a sanduíches, tubos, piramidais e outras. Os pesquisadores obtiveram um sucesso considerável com heteroestruturas bimetálicas que incluem cobre - que é muito bom na conversão de CO₂ em produtos que usam dois átomos de carbono. Essas heteroestruturas bimetálicas incluem prata-cobre (AgCu), zinco-cobre (ZnCu) e ouro-cobre (AuCu), com este último desfrutando de um sucesso de seletividade particular para metano, C₂ e monóxido de carbono.

"Pensamos que se dois metais estivessem produzindo bons resultados, talvez três metais fossem ainda melhores", disse Zhicheng Zhang, nanoquímico da Universidade de Tianjin e coautor do estudo.

Assim, os pesquisadores construíram uma nanoestrutura trimetálica que combinava ouro, prata e cobre e tinha forma assimétrica. A forma e a proporção precisa dos três metais podem ser alteradas por meio de um método de crescimento envolvendo várias etapas. Especificamente, as "nanopirâmides" de ouro são primeiro sintetizadas e usadas como "sementes" para o crescimento subsequente de várias estruturas trimetálicas envolvendo diferentes proporções dos três metais.

Eles descobriram que, como resultado da forma única de seu projeto de heteroestrutura e alterando as proporções desses três metais, eles poderiam ajustar cuidadosamente a seletividade para diferentes C₂ produtos à base. Produção de etanol (C₂ H₆ O) em particular foi maximizado usando uma heteroestrutura com a razão de alimentação envolvendo um átomo de ouro e prata combinados com cinco átomos de cobre.

O trabalho estabelece uma estratégia promissora para o desenvolvimento de outros nanomateriais trimetálicos no desenvolvimento do ECR. + Explorar mais

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