Los puntos cuánticos de grafeno pueden ofrecer una manera sencilla de reciclar residuos de dióxido de carbono en combustible valioso en lugar de liberarlo a la atmósfera o enterrarlo bajo tierra, según científicos de la Universidad de Rice.
Un punto cuántico de grafeno dopado de nitrógeno solo con bordes en zig-zag. Crédito: Ajayan grupo/Rice University
Los puntos cuánticos de grafeno dopados con nitrógeno (NGQDs) son un electrocatalizador eficiente hacer hidrocarburos complejos de dióxido de carbono, según el equipo de investigación liderado por el científico de materiales de Rice Pulickel Ajayan. Mediante el uso de Electrocatálisis, su laboratorio ha demostrado la conversión de los gases de efecto invernadero en pequeñas cantidades de etileno y etanol.
La investigación se detalla esta semana en Nature Communications.
Aunque no entienden completamente el mecanismo, los investigadores encontraron que las NGQDs trabajaron casi tan eficientemente como el cobre, que también está siendo probado como un catalizador para reducir el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles líquidos. Y NGQDs mantendrá su actividad catalítica durante mucho tiempo, informaron.
"Es sorprendente porque las personas han tratado todo tipo de catalizadores. Y hay sólo unas pocas opciones reales como el cobre,"dijo Ajayan. "Creo que lo que encontramos es fundamentalmente interesante, ya que proporciona un eficiente camino a nuevos tipos de catalizadores para convertir dióxido de carbono en productos de mayor valor".
Esos problemas son apenas un secreto. El dióxido de carbono atmosférico se levantó por encima de 400 partes por millón a principios de este año, el más alto en por lo menos 800.000 años, según lo medido a través del análisis de núcleo de hielo.
Puntos cuánticos de grafeno dopados con nitrógeno sobresalen sobre un substrato en una imagen de microscopio electrónico de transmisión. Los puntos son electrocatalizadores eficaces que pueden reducir el dióxido de carbono, un gas de invernadero, a los hidrocarburos valiosos como el etileno y el etanol. Crédito: Ajayan grupo/Rice University
"Si podemos convertir una fracción considerable del dióxido de carbono que se emite, podríamos frenar los crecientes niveles de dióxido de carbono atmosférico, que se ha vinculado al cambio climático," dijo el co-autor Paul Kenis de la Universidad de Illinois.
En pruebas de laboratorio, los NGQDs han demostrado ser capaces de reducir el dióxido de carbono en un 90 por ciento y convertirlo a 45 por ciento de etileno o alcohol, comparable a los electrocatalizadores de cobre.
Los puntos cuánticos de grafeno son láminas gruesas de átomos de carbono que se han dividido en partículas de un nanómetro de espesor y unos pocos nanómetros de ancho. La adición de átomos de nitrógeno para los puntos permite diferentes reacciones químicas cuando se aplica una corriente eléctrica y se introduce una materia prima como el dióxido de carbono.
"El carbono por lo general no es un catalizador", dijo Ajayan. "Una de nuestras preguntas es por qué este dopaje es tan eficaz. Cuando el nitrógeno se inserta en el enrejado del grafito hexagonal, hay múltiples posiciones que puede tomar. Cada una de estas posiciones, dependiendo de donde se encuentra el nitrógeno, debe tener diferente actividad catalítica. Así ha sido un rompecabezas, y aunque la gente ha escrito un montón de papeles en los últimos cinco a 10 años de carbón dopado y defectuoso que es catalizador, el rompecabezas no está realmente resuelto."
"Nuestros hallazgos sugieren que el nitrógeno pirídico (un compuesto orgánico básico) sentado en el borde de los puntos cuánticos de grafeno conduce la conversión catalítica del dióxido de carbono a hidrocarburos," dijo Jingjie Wu investigador postdoctoral de Rice, co-autor principal del artículo. "La siguiente tarea es ir aumentando más la concentración de nitrógeno para ayudar a aumentar la producción de hidrocarburos."
Ajayan señaló que mientras la Electrocatálisis es eficaz a escala de laboratorio por el momento, la industria confía en catálisis térmica escalable para producir combustibles y productos químicos. "Por esa razón, las empresas probablemente no usan cualquier momento pronto para producción a gran escala. Pero la Electrocatálisis se pueden hacer fácilmente en el laboratorio y nos demostró que será útil en el desarrollo de nuevos catalizadores".
Un punto cuántico de grafeno dopado de nitrógeno solo con bordes en zig-zag. Crédito: Ajayan grupo/Rice University
Los puntos cuánticos de grafeno dopados con nitrógeno (NGQDs) son un electrocatalizador eficiente hacer hidrocarburos complejos de dióxido de carbono, según el equipo de investigación liderado por el científico de materiales de Rice Pulickel Ajayan. Mediante el uso de Electrocatálisis, su laboratorio ha demostrado la conversión de los gases de efecto invernadero en pequeñas cantidades de etileno y etanol.
La investigación se detalla esta semana en Nature Communications.
Aunque no entienden completamente el mecanismo, los investigadores encontraron que las NGQDs trabajaron casi tan eficientemente como el cobre, que también está siendo probado como un catalizador para reducir el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles líquidos. Y NGQDs mantendrá su actividad catalítica durante mucho tiempo, informaron.
"Es sorprendente porque las personas han tratado todo tipo de catalizadores. Y hay sólo unas pocas opciones reales como el cobre,"dijo Ajayan. "Creo que lo que encontramos es fundamentalmente interesante, ya que proporciona un eficiente camino a nuevos tipos de catalizadores para convertir dióxido de carbono en productos de mayor valor".
Esos problemas son apenas un secreto. El dióxido de carbono atmosférico se levantó por encima de 400 partes por millón a principios de este año, el más alto en por lo menos 800.000 años, según lo medido a través del análisis de núcleo de hielo.
Puntos cuánticos de grafeno dopados con nitrógeno sobresalen sobre un substrato en una imagen de microscopio electrónico de transmisión. Los puntos son electrocatalizadores eficaces que pueden reducir el dióxido de carbono, un gas de invernadero, a los hidrocarburos valiosos como el etileno y el etanol. Crédito: Ajayan grupo/Rice University
"Si podemos convertir una fracción considerable del dióxido de carbono que se emite, podríamos frenar los crecientes niveles de dióxido de carbono atmosférico, que se ha vinculado al cambio climático," dijo el co-autor Paul Kenis de la Universidad de Illinois.
En pruebas de laboratorio, los NGQDs han demostrado ser capaces de reducir el dióxido de carbono en un 90 por ciento y convertirlo a 45 por ciento de etileno o alcohol, comparable a los electrocatalizadores de cobre.
Los puntos cuánticos de grafeno son láminas gruesas de átomos de carbono que se han dividido en partículas de un nanómetro de espesor y unos pocos nanómetros de ancho. La adición de átomos de nitrógeno para los puntos permite diferentes reacciones químicas cuando se aplica una corriente eléctrica y se introduce una materia prima como el dióxido de carbono.
"El carbono por lo general no es un catalizador", dijo Ajayan. "Una de nuestras preguntas es por qué este dopaje es tan eficaz. Cuando el nitrógeno se inserta en el enrejado del grafito hexagonal, hay múltiples posiciones que puede tomar. Cada una de estas posiciones, dependiendo de donde se encuentra el nitrógeno, debe tener diferente actividad catalítica. Así ha sido un rompecabezas, y aunque la gente ha escrito un montón de papeles en los últimos cinco a 10 años de carbón dopado y defectuoso que es catalizador, el rompecabezas no está realmente resuelto."
Una ilustración de un punto cuántico de grafeno dopado con nitrógeno como los está probando la Universidad de Rice para uso como catalizadores para reducir el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, en hidrocarburos valiosos. Crédito: Ajayan grupo/Rice University
Ajayan señaló que mientras la Electrocatálisis es eficaz a escala de laboratorio por el momento, la industria confía en catálisis térmica escalable para producir combustibles y productos químicos. "Por esa razón, las empresas probablemente no usan cualquier momento pronto para producción a gran escala. Pero la Electrocatálisis se pueden hacer fácilmente en el laboratorio y nos demostró que será útil en el desarrollo de nuevos catalizadores".
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