KANAZAWA, Japón, 8 de junio de 2023 /PRNewswire/ — Investigadores de la Universidad de Kanazawa informan sobre cómo una capa ultrafina de disulfuro de estaño puede utilizarse para acelerar la reducción química del dióxido de carbono, en aras de una sociedad neutra en carbono.
El reciclaje del dióxido de carbono (CO2) emitido por los procesos industriales es una necesidad en la búsqueda urgente de la humanidad por una sociedad sostenible y neutra en carbono. Por esta razón, actualmente se están estudiando ampliamente los 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 debido a que el estaño puro es un catalizador conocido para la producción de ácido fórmico. Las pruebas electroquímicas de estos compuestos mostraron que la reacción de evolución de hidrógeno (HER) se acelera con MoS2 en lugar de la conversión de CO2. La HER es una reacción que produce hidrógeno, útil para la producción de combustible de hidrógeno, pero que, en el caso de la reducción de CO2, constituye un proceso competitivo indeseable. Por otro lado, el SnS2 mostró una buena actividad reductora de CO2 e inhibió la HER. Los investigadores también realizaron mediciones electroquímicas de polvo de SnS2 a granel y observaron 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 bidimensional (2D) presenta un mejor rendimiento que un compuesto masivo, los científicos emplearon una técnica denominada microscopía electroquímica de celda de barrido (SECCM). La SECCM se utiliza como una nanopipeta, formando una celda electroquímica con forma de menisco a nanoescala para sondas sensibles a las reacciones superficiales en las muestras. Las mediciones demostraron que toda la superficie de la lámina de SnS2 era catalíticamente activa, no solo los elementos de la "plataforma" o los "bordes" de la estructura. Esto también explica por qué el SnS2 bidimensional presenta mayor actividad que el SnS2 masivo.
Los cálculos proporcionan información adicional sobre 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 bidimensional como catalizador.
Los hallazgos de Takahashi y sus colegas representan un paso importante hacia el uso de electrocatalizadores bidimensionales en aplicaciones de reducción electroquímica de CO2. Los científicos afirman: “Estos resultados permitirán una mejor comprensión y desarrollo de una estrategia de electrocatálisis con dicalcogenuros metálicos bidimensionales para la reducción electroquímica del dióxido de carbono, con el fin de producir hidrocarburos, alcoholes, ácidos grasos y alquenos sin efectos secundarios”.
Las láminas bidimensionales (2D) (o monocapas) de dicalcogenuros metálicos son materiales de tipo MX2, donde M es un átomo de metal, como el molibdeno (Mo) o el estaño (Sn), y X es un átomo de calcógeno, como el azufre (C). La estructura se puede expresar como una capa de átomos de X sobre una capa de átomos de M, que a su vez se encuentra sobre otra capa de átomos de X. Los dicalcogenuros metálicos bidimensionales pertenecen a una clase de materiales denominados bidimensionales (que también incluye el grafeno), lo que significa que son delgados. Los materiales 2D suelen tener propiedades físicas diferentes a las de sus contrapartes tridimensionales (3D).
Se han investigado los dicalcogenuros metálicos bidimensionales por su actividad electrocatalítica 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 en la HER; esta es una propiedad de suma importancia en el contexto estratégico de la ruta.
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 mediante microscopía electroquímica de células para estudiar la actividad catalítica de láminas de SnS2 para reducir las emisiones de CO2.
El Instituto de Nanobiología de la Universidad de Kanazawa (NanoLSI) se fundó en 2017 como parte del programa del MEXT, el centro de investigación internacional líder a nivel mundial. El objetivo del programa es crear un centro de investigación de primer nivel. Combinando los conocimientos más importantes en microscopía de sonda de barrido biológica, NanoLSI desarrolla la tecnología de nanoendoscopia para la obtención de imágenes, el análisis y la manipulación directa de biomoléculas, con el fin de comprender los mecanismos que controlan fenómenos vitales como las enfermedades.
Como una de las principales universidades de educación general en la costa del Mar de Japón, la Universidad de Kanazawa ha realizado importantes contribuciones a la educación superior y la investigación académica en Japón desde su fundación en 1949. La universidad cuenta con tres facultades y 17 escuelas que ofrecen disciplinas como medicina, informática y humanidades.
La universidad está ubicada en Kanazawa, una ciudad famosa por su historia y cultura, en la costa del Mar de Japón. Desde la época feudal (1598-1867), Kanazawa ha gozado de un gran prestigio intelectual. La Universidad de Kanazawa se divide en dos campus principales, Kakuma y Takaramachi, y cuenta con aproximadamente 10 200 estudiantes, de los cuales 600 son internacionales.
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