Síntesis electroquímica eficiente de urea a partir de CO₂ y N₂ a presión moderada

Área de la Ciencia:

• Electroquímica; Ciencia de Materiales; Catálisis; Química Sostenible

Sus antecedentes:

• La fijación electroquímica de nitrógeno ofrece una ruta sostenible para la gestión del ciclo del nitrógeno utilizando energía renovable.
• Los sistemas acuosos enfrentan desafíos con la reacción de evolución de hidrógeno que domina sobre la activación del nitrógeno (N₂), lo que limita las tasas de producción y la eficiencia.
• Los métodos existentes luchan por equilibrar las altas tasas de producción de urea con una fijación de nitrógeno eficiente.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar una estrategia novedosa para mejorar la fijación electroquímica de nitrógeno en sistemas acuosos.
• Mejorar la síntesis de urea suprimiendo subproductos gaseosos (CO/H₂) y promoviendo el acoplamiento carbono-nitrógeno (C-N).
• Diseñar un catalizador avanzado para la conversión eficiente y selectiva de nitrógeno.

Principales métodos:

• Acoplamiento de un campo de presión diseñado con un sistema electroquímico de síntesis de urea alimentado conjuntamente con N₂-CO₂.
• Desarrollo de clústeres de Bi_xNi_1-xO_y amorfos dispersos atómicamente como catalizador en tándem.
• Caracterización in situ para confirmar la modulación electrónica inducida por la presión de los sitios activos del catalizador.

Principales resultados:

• Se logró una alta tasa de producción de urea de 8,71 mmol h^-1 g^-1_cat.
• Se demostró una notable eficiencia de fijación de nitrógeno del 50%, suprimiendo significativamente la evolución de CO/H₂.
• Se confirmó la modulación electrónica inducida por la presión: los sitios de Bi se oxidaron, los sitios de Ni se redujeron, mejorando la actividad catalítica.

Conclusiones:

• La integración de la ingeniería de presión con el diseño de catalizadores a escala atómica proporciona un nuevo paradigma para las reacciones electroquímicas que involucran gases.
• Este enfoque ofrece una estrategia guía para optimizar catalizadores y condiciones de reacción en la fijación electroquímica de nitrógeno.
• El catalizador Bi-Ni y el sistema de presión desarrollados representan un avance significativo para la producción sostenible de urea.