Tecnologia Científica

Os catalisadores de nanopartículas de coleta de luz são promissores na busca por combustíveis renováveis ​​à base de carbono
A conversão de CO 2 e água impulsionada pela luz solar em compostos de multicarbono com alta densidade de energia é uma tecnologia viável para geração de energia renovável e fabricação de produtos químicos.
Por Lois Yoksoulian - 24/06/2021


Nas condições certas, as nanopartículas de prata, representadas pelas grandes esferas laranja, podem absorver a luz visível. Os portadores de carga produzidos pela excitação de luz são transferidos para CO2 e água, permitindo a conversão em hidrocarbonetos e outras moléculas de multicarbono. No gráfico, os átomos de carbono são pretos, os átomos de oxigênio são vermelhos e os átomos de hidrogênio são brancos. Crédito: D. Devasia / Jain Lab / Universidade de Illinois Urbana-Champaign

Os pesquisadores relatam que pequenas quantidades de moléculas úteis, como os hidrocarbonetos, são produzidas quando o dióxido de carbono e a água reagem na presença de luz e um catalisador de nanopartículas de prata. Seu estudo de validação - possibilitado pelo uso de uma técnica analítica de alta resolução - poderia abrir caminho para tecnologias de redução de CO 2 que permitem a produção em escala industrial de combustíveis renováveis ​​à base de carbono.

O estudo, liderado pelo professor de química Prashant Jain da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, investiga a atividade química na superfície de catalisadores de nanopartículas de prata sob luz visível e usa isótopos de carbono para rastrear a origem e produção dessas reações químicas anteriormente não detectadas. Os resultados foram publicados na revista Nature Communications.

A conversão de CO 2 e água impulsionada pela luz solar em compostos de multicarbono com alta densidade de energia é uma tecnologia viável para geração de energia renovável e fabricação de produtos químicos. Por causa disso, os pesquisadores estão em busca de catalisadores sintéticos que facilitem a redução de CO 2 em grande escala em moléculas de multicarbono , relata o estudo.

"As reações químicas catalíticas de nível industrial são geralmente testadas e otimizadas com base no perfil de massa dos produtos finais", disse Jain. "Mas há espécies químicas formadas nos estágios intermediários de tais reações, na superfície dos catalisadores, que podem ser muito escassas para serem detectadas e medidas usando métodos convencionais, mas são significantes fundamentais de como um catalisador funciona."

No laboratório, a equipe de Jain usou um espectroscópio Raman especialmente equipado para detectar e identificar moléculas únicas formadas na superfície de nanopartículas de prata individuais . Ao isolar uma única nanopartícula na qual as reações químicas progridem, os pesquisadores podem usar um laser altamente focado para excitar as moléculas que se formam na superfície do catalisador para criar um sinal espectral que identifica as moléculas formadas em etapas discretas e elementares do processo químico geral.

"Gosto de pensar neste trabalho em termos de uma história", disse Jain. “A história tem um tema geral, que é a redução de CO 2. Os personagens principais são CO 2 , H 2 O, nanopartículas de prata, monóxido de carbono e íons de hidrogênio, por exemplo. personagens interessantes como butanol, acetato e ácido oxálico que ajudam a contar a história por trás dos personagens principais. E às vezes, os personagens secundários são muito mais interessantes do que os principais. "

Às vezes, personagens menores podem vir com alguns jogadores indesejados, disse Jain. Para garantir que as moléculas intermediárias à base de carbono detectadas pelos pesquisadores são resultado do processo de redução de CO 2 e não de contaminação, eles usaram CO 2 contendo apenas o isótopo carbono-13, que representa apenas 1,1% do carbono da Terra.

"Usar o carbono-13 para rastrear as vias de reação nos permitiu confirmar que quaisquer hidrocarbonetos medidos estavam lá como resultado do CO 2 que adicionamos intencionalmente no recipiente de reação, e não acidentalmente introduzido por contaminação das nanopartículas de prata ou posteriormente durante a análise processo ", disse Jain. "O carbono-13 é raro, então se o detectássemos em nossos produtos de reação, saberíamos que era o resultado da conversão de CO 2 e da formação de ligações CC por luz ."

A escala de formação de moléculas de multicarbono usando catalisadores de nanopartículas de prata permanece muito pequena nesta fase da pesquisa, disse Jain. No entanto, os pesquisadores podem se concentrar no desenvolvimento de catalisadores sintéticos aprimorados e ampliá-los para a produção industrial, agora que a promessa de nanopartículas de coleta de luz foi revelada.

 

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