Conversión de CO2 a metanol por especies de hidrógeno en semiconductores de óxido de tipo n

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• Catálisis
• Química de los semiconductores

Sus antecedentes:

• La hidrogenación del dióxido de carbono (CO2) en metanol es un proceso clave para la producción química sostenible.
• El desarrollo de catalizadores eficientes y selectivos para la conversión de CO2 sigue siendo un desafío importante.
• Los semiconductores de óxido amorfo ofrecen propiedades electrónicas sintonizables para aplicaciones catalíticas.

Objetivo del estudio:

• Investigar el potencial de los semiconductores de óxido amorfo a base de indio de tipo n, específicamente a-InGaZnO_x (a-IGZO), como catalizadores para la hidrogenación de CO2 en metanol.
• Para aclarar el papel de las propiedades electrónicas y la adsorción de hidrógeno en el rendimiento catalítico.
• Explorar el efecto de la incorporación de un cocatalizador de paladio (Pd) en la actividad catalítica y la selectividad.

Principales métodos:

• Síntesis de a-IGZO de un gel de hidróxido mezclado.
• Caracterización de las propiedades del material, incluida la superficie y la concentración de electrones portadores.
• Evaluación del rendimiento catalítico para la hidrogenación de CO2 con y sin Pd.
• Análisis mediante espectrometría de masas de desorción programada a temperatura (TPD-MS) y espectroscopia de transmisión in situ de la transformación de Fourier en el infrarrojo (FT-IR).
• Análisis de la superficie y de la masa mediante espectroscopia fotoeléctrica de rayos X duros (HAXPES).

Principales resultados:

• Se sintetizó un semiconductor a-IGZO de alto área de superficie (concentración de portador > 100 m2 / g, ~ 1018 cm3)
• La incorporación de un 5% en peso de Pd en a-IGZO dio lugar a un aumento de la velocidad de reacción de más de 20 veces y a una selectividad del metanol de más de 90% en mol.
• Los óxidos a base de indio exhibieron un rendimiento superior atribuido a la alta concentración de portadores y al alineamiento favorable de la banda de conducción mínima (CBM).
• a-IGZO mostró una mayor capacidad de adsorción de hidrógeno, mejorada aún más por la adición de Pd.
• In situ FT-IR confirmó el derrame de hidrógeno de Pd a a-IGZO, aumentando la concentración de portadores y actuando como donantes poco profundos.

Conclusiones:

• a-IGZO es un catalizador muy eficaz para la hidrogenación selectiva de CO2 en metanol, especialmente cuando es promovido por Pd.
• La mayor actividad catalítica está relacionada con las propiedades electrónicas únicas de los óxidos a base de indio, la alta adsorción de hidrógeno y los efectos sinérgicos con Pd.
• Un mecanismo propuesto implica donantes de hidrógeno y electrones portadores que facilitan la formación de especies de hidrógeno cargadas para una conversión eficiente de CO2.