Un paso clave hacia la reutilización del CO2Para producir combustibles sostenibles es encadenar átomos de carbono, y un sistema de fotosíntesis artificial desarrollado en la Universidad de Michigan puede unir dos de ellos para formar hidrocarburos con un rendimiento líder en el campo.
El sistema produce etileno con una eficiencia, rendimiento y longevidad muy superiores a otros sistemas de fotosíntesis artificiales.El etileno es un hidrocarburo que normalmente se utiliza en los plásticos, por lo que una aplicación directa del sistema sería recolectardióxido de carbonoque de otro modo serían liberados a la atmósfera para fabricar plásticos.
"El rendimiento, o la actividad y la estabilidad, es entre cinco y seis veces mejor de lo que normalmente se informa paraenergía solaro reducción de dióxido de carbono a etileno impulsada por la luz", dijo Zetian Mi, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Michigan y autor correspondiente del estudio.estudiarenSíntesis de la naturaleza.
"El etileno es en realidad el compuesto orgánico más producido en el mundo. Pero normalmente se produce con petróleo y gas, bajo altas temperaturas y presiones, todo lo cual emite CO2".
El objetivo a largo plazo es unir cadenas más largas de átomos de carbono e hidrógeno para producircombustibles líquidosque se pueda transportar fácilmente.Parte del desafío es eliminar todo el oxígeno del CO.2como fuente de carbono y agua, H2O, como fuente de hidrógeno.
El dispositivo absorbe luz a través de dos tipos de semiconductores: un bosque de nanocables de nitruro de galio, cada uno de sólo 50 nanómetros (unos pocos cientos de átomos) de ancho, y la base de silicio sobre la que fueron cultivados.La reacción que transforma el agua y el dióxido de carbono en etileno tiene lugar en grupos de cobre, cada uno con unos 30 átomos, que salpican los nanocables.
Los nanocables se sumergen en agua enriquecida con dióxido de carbono y se exponen a una luz equivalente a la del sol al mediodía.La energía de la luz libera electrones que dividen el agua cerca de la superficie de los nanocables de nitruro de galio.Esto crea hidrógeno para alimentar la reacción de etileno, pero también oxígeno que el nitruro de galio absorbe para convertirse en óxido de nitruro de galio.
El cobre es bueno para aferrarse al hidrógeno y capturar el carbono del dióxido de carbono, convirtiéndolo en monóxido de carbono.Con el hidrógeno en la mezcla y una inyección de energía de la luz, el equipo cree que dosmonóxido de carbonoLas moléculas se unen con el hidrógeno.Se cree que la reacción se completa en la interfaz entre el cobre y el óxido de nitruro de galio, donde los dos átomos de oxígeno se eliminan y se reemplazan con tres átomos de hidrógeno provenientes de la división del agua.
El equipo encontró que el 61% de loselectrones libresque los semiconductores generados con la luz contribuyeron a la reacción para producir etileno.Si bien un catalizador diferente basado en plata y cobre logró una eficiencia similar de aproximadamente el 50%, necesitaba funcionar en un fluido a base de carbono y solo podía funcionar durante unas pocas horas antes de degradarse.Por el contrario, el dispositivo del equipo de Michigan funcionó durante 116 horas sin disminuir la velocidad, y el equipo utilizó dispositivos similares durante 3000 horas.
Esto se debe en parte a la relación sinérgica entre el nitruro de galio y el proceso de división del agua: la adición de oxígeno mejora el catalizador y permite un proceso de autocuración.Los límites de la longevidad del dispositivo se explorarán en trabajos futuros.
Finalmente, el dispositivo producidoetilenoa un ritmo más de cuatro veces mayor que el de los sistemas competidores más cercanos.
"En el futuro, queremos producir otros compuestos multicarbono como propanol con tres carbonos o productos líquidos", dijo Bingxing Zhang, científico investigador asistente en ingeniería eléctrica e informática de la UM y primer autor del artículo.
El objetivo final de Mi son los combustibles líquidos, que podrían permitir que muchas tecnologías de transporte existentes se vuelvan sostenibles.
Más información:Zhang, B. et al, Fotocátodo de grupo de Cu/GaN acoplado interfacialmente para CO eficiente2a la conversión de etileno,Síntesis de la naturaleza(2024).DOI: 10.1038/s44160-024-00648-9
Citación:En un paso hacia los combustibles solares, una instalación de fotosíntesis artificial duradera encadena dos carbonos (2024, 17 de septiembre)recuperado el 17 de septiembre de 2024de https://techxplore.com/news/2024-09-solar-fuels-durable-artificial-photosynchronous.html
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