Científicos en Japón han desarrollado recientemente un nanoclúster de cobre capaz de convertir dióxido de carbono en metanol mientras reduce significativamente los subproductos no deseados, según informó la Universidad de Tohoku.

El proyecto fue llevado a cabo por científicos de la Universidad de Tohoku en Japón y del Instituto Indio de Tecnología Indore. El nuevo enfoque transforma el dañino dióxido de carbono en combustibles y químicos valiosos bajo condiciones moderadas, según la fuente.

El equipo reveló que controlar los átomos de cobre cambia la forma en que el dióxido de carbono se convierte en una reacción electroquímica. En lugar de producir grandes cantidades de formiato, un subproducto no deseado, el catalizador recién diseñado genera selectivamente metanol, según los investigadores.

Según el equipo, el descubrimiento es esencial para diseñar catalizadores avanzados. Demuestra cómo el control a nivel atómico puede desbloquear vías más limpias y eficientes para convertir dióxido de carbono en combustibles valiosos.

El desafío del cobre como catalizador

El cobre ha atraído durante mucho tiempo la atención como un catalizador económico y abundante para convertir dióxido de carbono. De hecho, es el único catalizador monometálico que puede utilizarse en procesos de reducción electroquímica de dióxido de carbono para producir químicos y combustibles de alto valor, según la fuente.

Sin embargo, los catalizadores de cobre existentes a menudo producen formiato junto con los productos deseados. El formiato es la sal o ion del ácido fórmico y se utiliza ampliamente en industrias como la agricultura y la manufactura. Aun así, durante la producción de metanol, es un subproducto no deseado porque desvía el carbono de la formación de metanol, según explicaron los investigadores.

Para abordar el desafío, el equipo creó un nanoclúster de cobre templado con sulfuro con una estructura interna controlada con precisión. Presentaba una arquitectura única de núcleo-capa compuesta por un núcleo interno S@Cu14S12 rodeado por una capa externa Cu36(StBu)20 protegida por ligandos de tiolato, según la fuente.

Esto permitió al equipo ajustar la proporción de estados de oxidación Cu(I) y Cu(II) sin cambiar la geometría general del catalizador. Luego compararon el catalizador con un nanoclúster de cobre reportado previamente para determinar cómo los cambios electrónicos sutiles afectan la conversión de dióxido de carbono. Aunque ambos catalizadores mostraron una actividad general similar, sus productos fueron muy diferentes, según los resultados.

Resultados superiores en eficiencia

El catalizador convencional produjo formiato con una eficiencia faradaica de aproximadamente 38 por ciento. En contraste, el nuevo nanoclúster redujo la formación de formiato a menos del 11 por ciento y produjo metanol con una eficiencia faradaica de aproximadamente 19 por ciento a -1.0 voltios frente al electrodo de hidrógeno reversible. El catalizador más antiguo no produjo metanol en absoluto, según la fuente.

"Este trabajo establece que la modulación sutil del equilibrio Cu(I)/Cu(II) puede redirigir fundamentalmente las vías de reacción, proporcionando una estrategia a nivel molecular para superar las limitaciones intrínsecas de selectividad en la catálisis de nanoclústeres de cobre", señaló el equipo.

Según los investigadores, agregar un ion sulfuro en el centro del nanoclúster cambió sutilmente su estructura electrónica. Esto afectó cómo los intermediarios de reacción interactuaban con la superficie del catalizador. Los científicos creen que sus hallazgos proporcionarán una nueva estrategia para diseñar catalizadores con precisión a nivel atómico.

"Este estudio proporciona la primera evidencia clara de que la modulación precisa del estado de valencia del cobre en nanoclústeres de cobre puede influir directamente en la selectividad de las vías de reducción de dióxido de carbono", concluyó Yuichi Negishi, profesor asociado de la Universidad de Tohoku, en un comunicado de prensa.

Implicaciones para la producción de combustibles limpios

El desarrollo representa un avance significativo en la búsqueda de métodos más eficientes y sostenibles para convertir dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, en productos químicos útiles. La capacidad de controlar con precisión la estructura electrónica de los catalizadores a nivel atómico abre nuevas posibilidades para mejorar la selectividad y eficiencia de las reacciones químicas industriales.

La conversión de dióxido de carbono en metanol es particularmente valiosa porque el metanol puede utilizarse como combustible o como materia prima para producir otros químicos. Al reducir la formación de subproductos no deseados como el formiato, el nuevo catalizador hace que el proceso sea más eficiente desde el punto de vista económico y ambiental.

El estudio ha sido publicado en la revista de acceso abierto JACS Au, según la fuente.