Kit de construcción Catalizador
Estructura orgánica sin metales para la producción electrocatalítica de etileno a partir de dióxido de carbono
El uso del gas de efecto invernadero CO2 como materia prima química no sólo reduciría las emisiones, sino también el consumo de materias primas fósiles. Una novedosa estructura orgánica sin metales podría hacer posible la producción electrocatalítica de etileno, una materia prima química primaria, a partir de CO2. Según ha informado un equipo en la revista Angewandte Chemie, los átomos de nitrógeno con una configuración electrónica particular desempeñan un papel crítico para el catalizador.
© Wiley-VCH, Angewandte Chemie
El etileno (C2H4) es un material de partida esencial para muchos productos, como el polietileno y otros plásticos. El etileno se produce industrialmente mediante el craqueo y la rectificación de alta energía de materias primas fósiles. La conversión electroquímica del CO2 en etileno sería una vía prometedora para reducir las emisiones de CO2 y, al mismo tiempo, ahorrar energía y recursos fósiles.
El CO2 es muy estable, lo que dificulta su inducción a la reacción. Con el uso de electricidad y catalizadores, actualmente es posible convertirlo en sustancias químicas C1, como metanol y metano. El reto adicional en la producción de etileno es que debe formarse un enlace entre dos átomos de carbono. Hasta ahora, esto sólo se conseguía con catalizadores de cobre. La electrocatálisis sin metales sería ventajosa porque los metales son un factor de coste y pueden causar problemas medioambientales.
Un equipo dirigido por Chengtao Gong y Fu-Sheng Ke, de la Universidad de Wuhan (China), ha desarrollado un electrocatalizador sin metales para convertir CO2 en etileno. El catalizador se basa en un marco orgánico covalente (COF) que contiene nitrógeno. Los COF son una nueva clase de materiales porosos, cristalinos y puramente orgánicos con topología definida. A diferencia de los marcos orgánicos metálicos (MOF), no necesitan iones metálicos para mantenerse unidos. El tamaño de sus poros y sus propiedades químicas pueden ajustarse en una amplia gama mediante la selección de sus componentes.
El nuevo COF contiene átomos de nitrógeno con una configuración electrónica especial (hibridación sp3) como centros catalíticamente activos. Estos centros de nitrógeno sp3 unen los bloques de construcción individuales en una estructura a través de un enlace aminal (dos grupos amino unidos a un átomo de carbono). A diferencia de los COF con un enlace de imina clásico (-C=N-), los COF aminales tienen requisitos estrictos en cuanto a las longitudes y ángulos de los enlaces entre los bloques de construcción, lo que hace que las estructuras se formen mediante cierres de anillo. Los investigadores encontraron una combinación adecuada utilizando piperazina (un anillo de seis miembros formado por cuatro átomos de carbono y dos de nitrógeno) y un bloque de construcción formado por tres anillos aromáticos de carbono de seis miembros. Cuando se utilizaron como electrodos, sus nuevos COF demostraron una selectividad y un rendimiento elevados (eficiencia de Faraday de hasta el 19,1%) para la producción de etileno. El éxito de los COF aminales se debe a la alta densidad de centros activos de nitrógeno sp3, que capturan CO2 y transfieren electrones con gran eficacia. Esto da lugar a una alta concentración de compuestos intermedios excitados que pueden someterse al acoplamiento C-C. Por el contrario, se probaron de forma similar diversos COF vinculados a iminas, que contienen nitrógeno sp2 en lugar de sp3, y no produjeron etileno. Esto demuestra la importancia de una configuración electrónica adecuada para la reducción electroquímica del CO2 a etileno.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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