KANAZAWA, Japón, 8 de junio de 2023 /PRNewswire/ — Investigadores de la Universidad de Kanazawa informan cómo se puede utilizar una capa ultrafina de disulfuro de estaño para acelerar la reducción química del dióxido de carbono para una sociedad neutral en carbono.
El reciclaje del dióxido de carbono (CO2) emitido por los procesos industriales es una necesidad en la urgente búsqueda de la humanidad por una sociedad sostenible y carbono-neutral. Por esta razón, actualmente se están estudiando ampliamente electrocatalizadores que pueden convertir eficientemente el CO2 en otros productos químicos menos dañinos. Una clase de materiales conocidos como dicalcogenuros metálicos bidimensionales (2D) son candidatos como electrocatalizadores para la conversión de CO, pero estos materiales a menudo también promueven reacciones competitivas, reduciendo su eficiencia. Yasufumi Takahashi y sus colegas del Instituto de Ciencias de Nanobiología de la Universidad de Kanazawa (WPI-NanoLSI) han identificado un dicalcogenuro metálico bidimensional que puede reducir eficazmente el CO2 a ácido fórmico, no solo de origen natural. Además, esta conexión es un enlace intermedio. producto de síntesis química.
Takahashi y sus colegas compararon la actividad catalítica del disulfuro bidimensional (MoS₂) y el disulfuro de estaño (SnS₂). Ambos son dicalcogenuros metálicos bidimensionales, siendo este último de particular interés porque se sabe que el estaño puro es un catalizador para la producción de ácido fórmico. Las pruebas electroquímicas de estos compuestos mostraron que la reacción de evolución de hidrógeno (HER) se acelera utilizando MoS₂ en lugar de la conversión de CO₂. HER se refiere a una reacción que produce hidrógeno, lo cual es útil cuando se pretende producir combustible de hidrógeno, pero en el caso de la reducción de CO₂, es un proceso competitivo indeseable. Por otro lado, SnS₂ mostró una buena actividad reductora de CO₂ e inhibió HER. Los investigadores también tomaron mediciones electroquímicas de polvo de SnS₂ a granel y encontraron que era menos activo en la reducción catalítica de CO₂.
Para comprender la ubicación de los sitios catalíticamente activos en el SnS₂ y por qué un material 2D ofrece un mejor rendimiento que un compuesto a granel, los científicos emplearon una técnica denominada microscopía electroquímica de celda de barrido (SECCM). La SECCM se utiliza como una nanopipeta, formando una celda electroquímica a escala nanométrica con forma de menisco para sondas sensibles a las reacciones superficiales en las muestras. Las mediciones mostraron que toda la superficie de la lámina de SnS₂ era catalíticamente activa, no solo los elementos de la "plataforma" o del "borde" de la estructura. Esto también explica por qué el SnS₂ 2D presenta una mayor actividad en comparación con el SnS₂ a granel.
Los cálculos proporcionan una mayor comprensión de las reacciones químicas que tienen lugar. En particular, se ha identificado la formación de ácido fórmico como una ruta de reacción energéticamente favorable cuando se utiliza SnS₂ 2D como catalizador.
Los hallazgos de Takahashi y sus colegas marcan un paso importante hacia el uso de electrocatalizadores bidimensionales en aplicaciones de reducción electroquímica de CO₂. Los científicos afirman: «Estos resultados proporcionarán una mejor comprensión y desarrollo de una estrategia de electrocatálisis bidimensional con dicalcogenuros metálicos para la reducción electroquímica del dióxido de carbono y la producción de hidrocarburos, alcoholes, ácidos grasos y alquenos sin efectos secundarios».
Las láminas (o monocapas) bidimensionales (2D) de dicalcogenuros metálicos son materiales de tipo MX2, donde M es un átomo metálico, como el molibdeno (Mo) o el estaño (Sn), y X es un átomo de calcógeno, como el azufre (C). La estructura puede expresarse como una capa de átomos de X sobre una capa de átomos de M, que a su vez se encuentra sobre una capa de átomos de X. Los dicalcogenuros metálicos bidimensionales pertenecen a la clase de los llamados materiales bidimensionales (que también incluye el grafeno), lo que significa que son más delgados. Los materiales 2D suelen tener propiedades físicas diferentes a las de sus contrapartes tridimensionales (3D).
Se ha investigado la actividad electrocatalítica de los dicalcogenuros metálicos bidimensionales en la reacción de evolución de hidrógeno (HER), un proceso químico que produce hidrógeno. Sin embargo, Yasufumi Takahashi y sus colegas de la Universidad de Kanazawa han descubierto que el dicalcogenuro metálico bidimensional SnS₂ no presenta actividad catalítica HER; esta propiedad es fundamental en el contexto estratégico del ensayo.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta y Yasufumi Takahashi. Placa 1T/1H-SnS2 para transferencia electroquímica de CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Título: Experimentos de escaneo en microscopía electroquímica de celdas para estudiar la actividad catalítica de láminas de SnS2 para reducir las emisiones de CO2.
El Instituto Nanobiológico de la Universidad de Kanazawa (NanoLSI) se fundó en 2017 como parte del programa MEXT, el principal centro de investigación internacional del mundo. El objetivo del programa es crear un centro de investigación de primer nivel. Combinando los conocimientos más importantes en microscopía de sonda de barrido biológico, NanoLSI establece la tecnología de nanoendoscopia para la obtención directa de imágenes, el análisis y la manipulación de biomoléculas, con el fin de comprender mejor los mecanismos que controlan fenómenos vitales como las enfermedades.
Como una universidad líder de educación general en la costa del Mar de Japón, la Universidad de Kanazawa ha hecho grandes contribuciones a la educación superior y la investigación académica en Japón desde su fundación en 1949. La universidad tiene tres facultades y 17 escuelas que ofrecen disciplinas como medicina, informática y humanidades.
La universidad se encuentra en Kanazawa, ciudad famosa por su historia y cultura, a orillas del Mar del Japón. Desde la época feudal (1598-1867), Kanazawa ha gozado de un prestigio intelectual considerable. La Universidad de Kanazawa se divide en dos campus principales, Kakuma y Takaramachi, y cuenta con aproximadamente 10.200 estudiantes, 600 de los cuales son internacionales.
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