Investigadores del Instituto Tata de Investigación Fundamental (TIFR) de Bombay han demostrado que el oro negro-níquel plasmónico cataliza eficazmente la hidrogenación de CO2 con luz visible.
La hidrogenación de CO2 con hidrógeno verde es una técnica que tiene el potencial de eliminar los niveles excesivos de CO2, resolver los desajustes temporales entre la producción y la demanda de electricidad solar y promover el almacenamiento de gas hidrógeno.
Dado que la reacción requiere temperaturas muy altas, lo que provoca una rápida desactivación del catalizador, los investigadores exploraron la idea de catalizar la hidrogenación del CO2 a temperatura ambiente o moderada mediante la excitación plasmónica del H2 y el CO2 utilizando un catalizador plasmónico.
En un artículo publicado en la revista ACS Nano, los científicos explican que generaron la reacción a temperaturas tan bajas como 84°C a 223°C sin calentamiento externo.
Comprobaron que la actividad catalítica era varias veces mayor que la del catalizador DPC-C4, hasta el punto de que sólo se observó una fotoactividad mensurable con el catalizador DPC-C4-Ni. Su trabajo mostró la mejor tasa de producción de CO registrada de 2464± 40 mmol gNi-1 h-1 y una selectividad superior al 95% en las condiciones de flujo. El catalizador también mostró una estabilidad extraordinaria (100 h).
La dependencia de la ley de potencia superlineal de la intensidad luminosa con eficiencias cuánticas fotocatalíticas aumentó con el incremento de la intensidad luminosa y la temperatura de reacción, mientras que el efecto isotópico cinético (KIE) en luz fue mayor que en oscuridad, confirmando el mecanismo de reacción mediado por electrones calientes.
Los estudios ultrarrápidos de la dinámica de portadores calientes demostraron la inyección ultrarrápida de electrones de Au a Ni, poblando el reactor de Ni con portadores de carga. Los investigadores observaron una firma espectral de dicha generación indirecta de carga debida a la transferencia de electrones calientes del oro al níquel. Las simulaciones en el dominio del tiempo por diferencia finita también mostraron un aumento de la intensidad del campo local inducido por plasmones en el DPC-C4-Ni.
Un estudio DRIFTS in situ mostró vibraciones de estiramiento C=O de enlaces lineales de CO sobre átomos de Ni, mientras que se impedía la formación de especies de carbonilo puente. La hidrogenación del CO2 tuvo lugar por disociación directa a través de enlaces lineales níquel-CO. El CO enlazado linealmente en los sitios de Ni del DPC-C4-Ni estaba débilmente enlazado debido a su débil enlace Ni-C. Por lo tanto, la desorción de CO fue eficiente. De ahí que la desorción de CO fuera eficiente, restringiendo la hidrogenación a metano, lo que condujo a una selectividad de CO superior al 95%.
Según el grupo, la elevada tasa de producción y la selectividad se debieron a que las nanopartículas de Ni estaban muy dispersas en el oro negro, lo que proporcionó una vía de CO débilmente enlazado, además de la excelente capacidad de captación de luz del oro negro. Debido a la excitación de los electrones de la banda d del níquel a un nivel de energía superior durante la amortiguación plasmónica de la SPR de oro negro, así como al llenado de la banda d del Ni debido a la transferencia de electrones calientes del oro negro al Ni, los sitios de Ni mostraron una excelente actividad incluso con un tamaño de partícula menor.
En su opinión, el excelente rendimiento catalítico del oro negro-Ni puede proporcionar una vía para desarrollar catalizadores plasmónicos para la reducción de CO2 y otros procesos catalíticos que utilicen oro negro.
Fuente: Mining.com