Se descubrió que un mineral del suelo ampliamente distribuido, el oxihidróxido de hierro α-(III), es un catalizador reciclable para la fotorreducción de dióxido de carbono a ácido fórmico. Crédito: Prof. Kazuhiko Maeda
La fotorreducción de CO2 a combustibles transportables como el ácido fórmico (HCOOH) es una buena forma de combatir los niveles crecientes de CO2 en la atmósfera. Para ayudar con esta tarea, un equipo de investigación del Instituto de Tecnología de Tokio seleccionó un mineral a base de hierro fácilmente disponible y lo cargó en un soporte de alúmina para desarrollar un catalizador que puede convertir eficientemente el CO2 en HCOOH, ¡con una selectividad de aproximadamente el 90%!
Los vehículos eléctricos son una opción atractiva para muchas personas, y una razón clave es que no tienen emisiones de carbono. Sin embargo, una gran desventaja para muchos es su falta de autonomía y los largos tiempos de carga. Aquí es donde los combustibles líquidos como la gasolina tienen una gran ventaja. Su alta densidad energética significa largos alcances y reabastecimiento rápido.
Cambiar de gasolina o diésel a un combustible líquido diferente puede eliminar las emisiones de carbono y, al mismo tiempo, conservar las ventajas de los combustibles líquidos. En una celda de combustible, por ejemplo, el ácido fórmico puede impulsar un motor mientras libera agua y dióxido de carbono. Sin embargo, si el ácido fórmico se produce al reducir el CO2 atmosférico a HCOOH, entonces el único resultado neto es agua.
El aumento de los niveles de dióxido de carbono en nuestra atmósfera y su contribución al calentamiento global son ahora noticias comunes. A medida que los investigadores experimentaron con diferentes enfoques para el problema, surgió una solución efectiva: convertir el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera en sustancias químicas ricas en energía.
La producción de combustibles como el ácido fórmico (HCOOH) mediante la fotorreducción de CO2 en la luz solar ha atraído mucha atención recientemente porque el proceso tiene un doble beneficio: reduce las emisiones excesivas de CO2 y también ayuda a minimizar la escasez de energía que enfrentamos actualmente. Como un excelente portador de hidrógeno con alta densidad energética, el HCOOH puede proporcionar energía a través de la combustión mientras libera solo agua como subproducto.
Para hacer realidad esta lucrativa solución, los científicos han desarrollado sistemas fotocatalíticos que reducen el dióxido de carbono con la ayuda de la luz solar. Este sistema consta de un sustrato que absorbe la luz (es decir, un fotosensibilizador) y un catalizador que permite la transferencia de múltiples electrones necesaria para la reducción de CO2 a HCOOH. ¡Y así comenzó la búsqueda de catalizadores adecuados y eficientes!
Reducción fotocatalítica del dióxido de carbono mediante infografías de compuestos de uso común. Crédito: Profesor Kazuhiko Maeda
Debido a su eficiencia y potencial reciclabilidad, los catalizadores sólidos se consideran los mejores candidatos para esta tarea y, a lo largo de los años, se han explorado las capacidades catalíticas de muchos marcos metalorgánicos (MOF) basados ​​en cobalto, manganeso, níquel y hierro, entre los cuales este último tiene algunas ventajas sobre otros metales. Sin embargo, la mayoría de los catalizadores basados ​​en hierro reportados hasta ahora solo producen monóxido de carbono como producto principal, no HCOOH.
Sin embargo, este problema fue rápidamente resuelto por un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) dirigido por el profesor Kazuhiko Maeda. En un estudio reciente publicado en la revista química Angewandte Chemie, el equipo demostró un catalizador basado en hierro soportado en alúmina (Al2O3) utilizando oxihidróxido de α-hierro(III) (α-FeO​​​ OH; geotita). El novedoso catalizador α-FeO​​​OH/Al2O3 exhibe un excelente rendimiento de conversión de CO2 a HCOOH y una excelente reciclabilidad. Cuando se le preguntó sobre su elección de catalizador, el profesor Maeda dijo: "Queremos explorar elementos más abundantes como catalizadores en sistemas de fotorreducción de CO2. Necesitamos un catalizador sólido que sea activo, reciclable, no tóxico y económico. Es por eso que elegimos minerales del suelo ampliamente distribuidos como la goethita para nuestros experimentos".
El equipo empleó un método de impregnación simple para sintetizar su catalizador. Luego utilizaron materiales de Al2O3 soportados en hierro para reducir fotocatalíticamente el CO2 a temperatura ambiente en presencia de un fotosensibilizador a base de rutenio (Ru), un donante de electrones y luz visible con longitudes de onda superiores a 400 nanómetros.
Los resultados son muy alentadores. La selectividad de su sistema para el producto principal HCOOH fue del 80-90% con un rendimiento cuántico del 4,3% (lo que indica la eficiencia del sistema).
Este estudio presenta un catalizador sólido a base de hierro, el primero de su tipo, que puede generar HCOOH cuando se combina con un fotosensibilizador eficiente. También analiza la importancia del material de soporte adecuado (Al2O3) y su efecto en la reacción de reducción fotoquímica.
Los hallazgos de esta investigación podrían ayudar a desarrollar nuevos catalizadores sin metales nobles para la fotorreducción del dióxido de carbono a otras sustancias químicas útiles. «Nuestra investigación demuestra que el camino hacia una economía basada en energía verde no es complicado. Incluso métodos sencillos de preparación de catalizadores pueden producir excelentes resultados, y es bien sabido que los compuestos abundantes en la tierra, si se complementan con compuestos como la alúmina, pueden utilizarse como catalizador selectivo para la reducción de CO2», concluye el profesor Maeda.
Referencias: “Oxihidróxido de alfa-hierro (III) soportado por alúmina como catalizador sólido reciclable para la fotorreducción de CO2 bajo luz visible” por Daehyeon An, Dr. Shunta Nishioka, Dr. Shuhei Yasuda, Dr. Tomoki Kanazawa, Dr. Yoshinobu Kamakura, Prof. Toshiyuki Yokoi, Prof. Shunsuke Nozawa, Prof. Kazuhiko Maeda, 12 de mayo de 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
Ahí es donde los combustibles líquidos como la gasolina tienen una gran ventaja. Su alta densidad energética permite una gran autonomía y un reabastecimiento rápido.
¿Qué tal algunos números? ¿Cómo se compara la densidad energética del ácido fórmico con la de la gasolina? Con solo un átomo de carbono en la fórmula química, dudo que se acerque siquiera a la gasolina.
Además de eso, el olor es muy tóxico y, como ácido, es más corrosivo que la gasolina. Estos no son problemas de ingeniería irresolubles, pero a menos que el ácido fórmico ofrezca ventajas significativas para aumentar la autonomía y reducir el tiempo de recarga de la batería, probablemente no valga la pena el esfuerzo.
Si planearan extraer goethita del suelo, sería una operación minera que consumiría mucha energía y sería potencialmente dañina para el medio ambiente.
Podrían mencionar mucha goethita en el suelo, ya que sospecho que se requeriría más energía para obtener las materias primas necesarias y hacerlas reaccionar para sintetizar goethita.
Es necesario considerar todo el ciclo de vida del proceso y calcular el costo energético de todo. La NASA no encontró nada parecido a un lanzamiento gratuito. Otros deben tener esto en cuenta.
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