Los investigadores desentrañan las complejas vías de reacción en la síntesis de combustible sin carbono

Cuando el proyecto eCO2EP: una tecnología de almacenamiento de energía química comenzó en 2018, el objetivo era desarrollar formas de convertir el dióxido de carbono emitido como parte de los procesos industriales en compuestos útiles, un proceso conocido como reducción electroquímica de CO2 (eCO2R).

Si bien eCO2R no es una técnica nueva, el desafío siempre ha sido la incapacidad de controlar los productos finales. Ahora, investigadores de la Universidad de Cambridge han descrito cómo se pueden usar los isótopos de carbono para rastrear intermediarios durante el proceso, lo que permitirá a los científicos crear catalizadores más selectivos, controlar la selectividad del producto y promover eCO2R como un método de producción más prometedor para productos químicos y combustibles. en la economía baja en carbono. Sus resultados se publican en la revista Naturaleza Catálisis.

El proyecto fue dirigido por el profesor Alexei Lapkin, del Centro de Investigación y Educación Avanzada de Cambridge en Singapur (CARES Ltd) y el profesor Joel Ager, de Berkeley Education Alliance for Research en Singapur (BEARS Ltd). Ambas organizaciones son parte del Campus para la Excelencia en la Investigación y la Empresa Tecnológica (CREATE) financiado por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur.

En la década de 1950, Melvin Calvin de Berkeley identificó los pasos elementales utilizados en la naturaleza para fijar el dióxido de carbono en la fotosíntesis. Calvin y sus colegas utilizaron una forma radiactiva de carbono como marcador para aprender el orden en que aparecían los intermedios en el ciclo que ahora lleva su nombre, trabajo que le valió el Premio Nobel de Química en 1961.

El equipo de eCO2EP descubrió que con un espectrómetro de masas lo suficientemente sensible, podrían usar las pequeñas diferencias en las velocidades de reacción asociadas con los dos isótopos estables de carbono, carbono-12 y carbono-13, para realizar análisis similares.

Primero, se generó una mezcla de productos como metanol y etileno mediante un reactor prototipo que se construyó para operar en condiciones industriales. Para detectar tanto los productos principales como los secundarios en tiempo real a medida que cambiaban las condiciones operativas, se utilizó espectrometría de masas de alta sensibilidad.

Dado que la espectrometría de masas de alta sensibilidad se usa más comúnmente en las ciencias biológicas y atmosféricas, los coautores, el Dr. Mikhail Kovalev y el Dr. Hangjuan Ren, adaptaron la técnica a su sistema prototipo. Desarrollaron un método para muestrear directamente el entorno de reacción con alta sensibilidad y tiempo de respuesta.

Los investigadores utilizaron la diferencia en las velocidades de reacción del carbono 12 y el carbono 13 para agrupar un producto como el etanol y sus principales intermediarios que comparten la misma vía, para deducir relaciones clave en la red química.

Los investigadores descubrieron que existen diferencias sustanciales en los mecanismos que funcionan en los reactores más pequeños frente a los reactores más grandes, un hallazgo que les permitirá controlar mejor la selectividad del producto.

El equipo también descubrió que la reacción usaba menos del isótopo de carbono-13 más pesado que el carbono-12. Se encontró que esta diferencia en el uso era cinco veces mayor que la observada en la fotosíntesis natural, donde el carbono 13 se fija a un ritmo más lento que el carbono 12. Esto está inspirando los esfuerzos en el laboratorio del profesor Ager para comprender mejor la física fundamental y los orígenes químicos de este efecto grande e inesperado. También se ha presentado una solicitud de patente internacional.

“La configuración del proyecto dentro de CREATE Campus nos permitió a Joel y a mí crear un ambiente de creatividad y ambición, para permitir que los investigadores sobresalgan y aborden los problemas realmente complejos e interesantes”, dijo Lapkin. «El seguimiento de múltiples especies en una reacción tan compleja es, en sí mismo, un avance significativo del equipo, pero la capacidad de profundizar en el mecanismo mediante la exploración del efecto de enriquecimiento de isótopos ha marcado la diferencia».

“Este trabajo requirió un enfoque interdisciplinario basado en la experiencia tanto de Cambridge como de Berkeley”, dijo Ager. «El campus de CREATE proporcionó un entorno ideal para realizar esta investigación colaborativa con un equipo capacitado y motivado».

El proyecto eCO2EP fue financiado por la Fundación Nacional de Investigación, Oficina del Primer Ministro, Singapur, en el marco de su programa Campus para la Excelencia en la Investigación y la Empresa Tecnológica (CREATE).

Referencia:
Hangjuan Ren et al. ‘Operando espectrometría de masas de tiempo de vuelo de reacción de transferencia de protones de electrocatálisis de reducción de dióxido de carbono.’ Naturaleza Catálisis (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00891-3.

Adaptado de una historia publicada en el sitio web de CARES.