Un estudio realizado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign desarrolló catalizadores de nanopartículas de β-Mo2C sobre soportes de SiO2 para mejorar la conversión de CO2. Este nuevo catalizador mostró una actividad catalítica significativamente mayor y fue más rentable que los catalizadores de metales preciosos convencionales. Sostenibilidad, que marca un prometedor paso adelante en las estrategias de reducción de CO2.
Dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero, desempeña un papel importante en el cambio climático al acumularse en la atmósfera. Para reducir su efecto, cambiando el CO2 Los productos de carbono beneficiosos son una estrategia viable. Un estudio reciente exploró este enfoque utilizando nanopartículas de carburo de molibdeno (β-Mo2C) en fase beta como catalizador, ancladas en dióxido de silicio (SiO).2) apoya. Este proceso acelera la conversión de CO2 en monóxido de carbono (CO), un gas valioso que puede utilizarse para producir otros compuestos importantes.
CO2 Es una molécula muy estable, lo que dificulta la conversión de gases de efecto invernadero en otras moléculas. Los catalizadores se pueden utilizar en reacciones químicas para reducir la cantidad de energía necesaria para formar o romper enlaces químicos y se utilizan en reacciones de desplazamiento inverso de agua y gas (RWGS) para convertir CO.2 y gas hidrógeno (H2CO y en agua (H2Oh). Específicamente, el gas CO producido por la reacción se llama gas de síntesis o gas de síntesis cuando se combina con H.2 Y puede usarse como fuente de carbono para producir otros compuestos importantes.
Avances en la tecnología de catalizadores
Los catalizadores convencionales en la reacción RWGS están hechos de metales preciosos, incluidos platino (Pt), paladio (Pd) y oro (Au), lo que limita la rentabilidad de la reacción. Debido a esto, se han desarrollado nuevos materiales catalizadores y métodos de síntesis para aumentar la practicidad de la reacción RWGS como medio para reducir el CO atmosférico.2 y producir gas de síntesis.
Para abordar los problemas de costo de los catalizadores RWGS tradicionales, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign estudió la síntesis y la actividad catalítica de nanopartículas económicas de β-Mo.2Catalizadores de Si sobre SiO2 ayudar a determinar si un catalizador de bajo costo puede aumentar el nivel de actividad de β-Mo2C RWGS en reacción con soporte de óxido de sílice.
La imagen de la izquierda muestra nanopartículas de β-Mo2C soportadas sobre SiO2 (β-Mo2C/SiO2). El gráfico de la derecha representa el aumento de la actividad catalítica de β-Mo2C/SiO2 en la tasa de producción de CO en la reacción RWGS en comparación con el β-Mo2C en masa, representado por la barra negra. Cada barra representa un porcentaje diferente del peso de carga de Mo2C en función de la masa del soporte de SiO2. Para estos datos, la actividad catalítica se midió a 400 °C. Crédito: Carbon Future, Tsinghua University Press
El equipo publicó su estudio. El futuro del carbono El 30 de abril.
“La sociedad avanza hacia una economía neutra en carbono. El dióxido de carbono es un gas de efecto invernadero, por lo que cualquier tecnología que pueda romper los enlaces de óxido de carbono en esta molécula y convertir el carbono en productos químicos de valor agregado. «Un químico C1 importante es el monóxido de carbono, que es una materia prima esencial para producir una variedad de productos, como combustibles sintéticos y vitamina A», dijo Hong Yang, profesor de la cátedra Alkier en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Illinois. Urbana-Champaign y redactor principal del periódico.
Estructura y eficacia del catalizador.
Específicamente, los investigadores recolectaron β-Mo2Catalizadores de nanopartículas de C adsorbidos en SiO2 soporte (β-Mo2C/CO2). La estructura inútil del SEO2 El apoyo fue importante para la formación, actividad y estabilidad de nanopartículas de β-Mo.2C/CO2 Catalizador. El equipo también probó óxidos de cesio (Ce), magnesio (Mg), titanio (Ti) y aluminio (Al) como posibles soportes, pero el catalizador sobre SiO2 Una temperatura de 650°C produjo la mejor formación del catalizador.
«Parece que la naturaleza desordenada de la sílice amorfa, que actúa como pegamento para las nanopartículas del catalizador, es un factor clave en nuestro éxito a la hora de lograr altas cargas metálicas y altas actividades asociadas», dijo Sieng Yu, estudiante graduado del Departamento de Química en en ingeniería biomolecular en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y coautor del artículo.
En concreto, SIO2 La estructura de soporte del catalizador mejora la actividad catalítica del β-Mo.2C 8 veces en comparación con el β-Mo en masa2C. Aunque con actividad catalítica mejorada, β-Mo2C/CO2 El catalizador demostró una mayor conversión de CO y una mayor estabilidad en comparación con el β-Mo a granel.2En la reacción RWGS, C.
«Un descubrimiento importante de nuestro trabajo es un nuevo proceso para producir catalizadores con alta carga metálica hechos a partir de nanopartículas de carburo de molibdeno. Estos catalizadores de carburo metálico han sido diseñados para convertir dióxido de carbono en óxido de carbono con alto rendimiento y selectividad», dijo Andrew Cohen, ex estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y primer autor del artículo
Los investigadores realizaron su estudio en condiciones de reacción que favorecen la conversión a gas CO, con H2:CO2 La proporción es igual a 1:1. Esta relación difiere de la relación más comúnmente probada de menos de 3:1. Las reacciones también se llevaron a cabo a temperaturas entre 300 y 600 °C. En estas condiciones, el equipo produjo CO más concentrado, que es más eficiente para la síntesis de compuestos posteriores.
El equipo ve esta investigación como un punto de partida para otros catalizadores que aprovechen las estructuras de soporte para aumentar la actividad. “Nuestra capacidad para sintetizar nanomateriales de carburo metálico de fase pura con cargas elevadas abre la puerta al desarrollo de nuevos catalizadores para procesos de CO.2 uso», dijo Yang. «Espero que a través de un estudio en profundidad de la relación síntesis-estructura-propiedad de este catalizador pronto podamos descubrir nuevas aplicaciones importantes para agregar valor al CO.2 y el desarrollo sostenible de nuestra economía.
Referencia: «Variación del dióxido de carbono en el producto C1». por medio de Reacción inversa de desplazamiento de gas y agua utilizando carburos de molibdeno soportados por óxido” por Andrew N. Cohen, Rachel C. Park, Seung Yu, Di Gao, Cheng Zhang, Yuan Hui Zhang y Hong Yang, 30 de abril de 2024. El futuro del carbono.
DOI: 10.26599/CF.2024.9200011
Otros contribuyentes incluyen a Rachel Park, De Gao y Cheng Zhang del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en Urbana, Illinois; y Yuanhui Zhang, del Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Esta investigación fue apoyada por el Fondo de Inicio Urbana-Champaign de la Universidad de Illinois.
