Cambio de la electrorreducción hacia el etanol por deslocalización del estado de ajuste de la separación de enlaces

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Catálisis
• Ciencias de los materiales

Sus antecedentes:

• La reducción electroquímica de dióxido de carbono (CO2) mediante catalizadores a base de cobre es una estrategia clave para la producción de productos multicarbono (C2+) de valor añadido.
• Lograr una alta selectividad para los alcoholes C2+, como el etanol, es un desafío debido a la formación preferencial de etileno, vinculada a las interacciones superficiales del intermediario CH2CHO*.
• La vía hacia el etanol o el etileno se determina por la escisión del enlace Cu-O u O-C en el intermedio crítico CH2CHO*.

Objetivo del estudio:

• Mejorar la selectividad de los catalizadores de cobre para la producción de etanol mediante electrorreducción de CO2.
• Investigar el efecto de la funcionalización superficial en los intermedios catalíticos y las vías de reacción.
• Desarrollar un catalizador estable y eficiente para la conversión de CO2 en etanol a escala industrial.

Principales métodos:

• Aplicó un enfoque de funcionalización de la superficie de nitreno para ajustar la densidad de electrones de los catalizadores de cobre, inspirado en la teoría ácido-suave.
• Investigó el debilitamiento y la escisión del enlace Cu-O en el intermedio adsorbido CH2CHO*.
• Evaluación del rendimiento del catalizador en un electrolizador de conjuntos de electrodos de membrana bajo densidades de corriente industrialmente relevantes.

Principales resultados:

• El catalizador de cobre funcionalizado con nitreno demostró una selectividad de etanol significativamente mejorada, logrando una eficiencia Faradaic del 45%.
• Se registró una densidad máxima de corriente parcial de 406 mA·cm−2 para la producción de etanol, superando a los catalizadores de cobre no modificados y funcionalizados con amida.
• El catalizador funcionalizado mantuvo una conversión estable de CO2 a etanol durante más de 300 horas a 400 mA·cm−2 en un electrolizador.

Conclusiones:

• El ajuste de la deslocalización de electrones a través de la funcionalización de la superficie de nitreno promueve efectivamente la vía del etanol en la electroreducción de CO2.
• El catalizador modificado supera las limitaciones en la selectividad del alcohol C2+ facilitando la escisión y la hidrogenación de enlaces intermedios específicos.
• Esta estrategia ofrece una vía prometedora para la conversión electroquímica eficiente y estable del CO2 en etanol.