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Los ciclos de carbono verde son fundamentales para mitigar los impactos ambientales negativos del dióxido de carbono. Un artículo de pre-prueba de la revista CIENCIAS informó sobre el desarrollo de un sistema muy estable y eficaz [email protected]/SiO2 Nanocatalizador para el proceso de hidrogenación de carbonato de etileno (EC) en el que nanopartículas de Cu fueron encapsuladas por películas de carbón grafítico preparadas a partir de sorbitol.
Aprender: El carbono derivado del sorbitol superpone nanopartículas de Cu encapsuladas en SiO2: Estable y eficiente para la hidrogenación continua de carbonato de etileno. Crédito: LuckyStep/Shutterstock.com
La necesidad de un uso eficaz del CO2
El principal gas de efecto invernadero producido por las actividades humanas es el dióxido de carbono (CO2). Las emisiones de dióxido de carbono provocadas por el hombre son las principales responsables del cambio climático y el calentamiento global cada vez mayores.
El uso de dióxido de carbono ahora está recibiendo mucha atención porque puede reducir el ritmo del cambio climático al usar dióxido de carbono en lugar de productos químicos que podrían tener efectos mucho más dañinos. Desafortunadamente, la naturaleza inerte del dióxido de carbono dificulta su uso óptimo.
La conversión de dióxido de carbono en productos químicos de valor añadido o combustibles como el metanol también ha suscitado un gran interés.
Conversión de CO2 en metanol
El metanol se puede producir a partir de la hidrogenación de dióxido de carbono a altas temperaturas y altas presiones de hidrógeno. En condiciones más suaves, el dióxido de carbono también se puede convertir en metanol indirectamente a través de la hidrogenación de moléculas de relevo como carbonatos, formiatos y carbamatos.
Entre las moléculas de relevo, la hidrogenación de EC para formar metanol y etilenglicol (EG) es de particular interés y ha sido reconocida como un enfoque muy prometedor.
Industrialmente, EC se produce mediante el conocido proceso Omega, que implica la cicloadición de dióxido de carbono y óxido de etileno. Este proceso indirecto de conversión de dióxido de carbono puede verse como una especie de ciclo de carbono verde en el que no se producen residuos de carbono.
La dificultad fundamental de este proceso indirecto es la creación de catalizadores adecuados para el proceso de hidrogenación.
Trabajo existente sobre catalizadores para la hidrogenación de EC
Recientemente se han documentado avances significativos en la hidrogenación de carbonato de etileno utilizando complejos de pinza homogéneos de Fe, Mn o Ru. Sin embargo, las dificultades en la separación y recuperación y los altos precios de los catalizadores homogéneos limitan la aplicabilidad industrial.
Los catalizadores heterogéneos son candidatos comparativamente mucho más prometedores debido a su facilidad de separación y recuperación de las mezclas de reacción.
Nanocatalizadores a base de cobre para hidrogenación EC
Entre varios catalizadores heterogéneos, las nanopartículas de Cu son nanocatalizadores extremadamente activos para la hidrogenación de EC debido a su notable capacidad para hidrogenolizar enlaces CO/C=O. Se han preparado nanocatalizadores a base de Cu para una amplia gama de aplicaciones.
Sin embargo, las nanopartículas de cobre son propensas a una rápida sinterización, lo que resulta en una estabilidad insuficiente en la corriente. La razón principal de esto es la baja temperatura de Tammann de las nanopartículas de cobre.
Se ha estudiado para modificar un nanocatalizador basado en Cu con varios aditivos o dopantes (como metales de transición y moléculas orgánicas) para mejorar la eficiencia y la durabilidad catalíticas. Sin embargo, el rendimiento catalítico y la estabilidad en la corriente siguen siendo insuficientes.
Además, la mayoría de los nanocatalizadores a base de cobre requieren una reducción previa de hidrógeno antes de la hidrogenación de EC para lograr un buen rendimiento.
Por lo tanto, el desarrollo de un nanocatalizador altamente estable y efectivo basado en nanopartículas de Cu con un enfoque sintético económico para la hidrogenación de carbonato de etileno a metanol y EG sigue siendo un desafío.
Hallazgos clave del estudio
En este estudio, el equipo creó un nanocatalizador eficaz basado en nanopartículas de Cu para la hidrogenación de carbonato de etileno utilizando una técnica sencilla en la que las nanopartículas de Cu se encapsularon en capas de carbono grafítico derivadas del sorbitol.
Calcinación simple de nanopartículas de Cu recubiertas de sorbitol en N2 El medio ambiente no solo reduce el Cu2+ a Cu0/Cu+pero también condujo a que las nanopartículas de Cu se recubrieran con capas de carbono grafítico.
Las interfaces se formaron debido a la fuerte interacción entre las nanopartículas de Cu y las superposiciones de carbono grafítico.
Las superposiciones de carbono grafítico inhibieron eficientemente la aglomeración de nanopartículas de Cu y retuvieron la superficie Cu+/Cu0 Relación.
Por lo tanto, el nanocatalizador a base de cobre mostró un comportamiento catalítico y una estabilidad mejorados, produciendo un 91 % de metanol y un 98 % de EG durante 736 horas de pruebas continuas de tiempo en funcionamiento.
Sorprendentemente, la frecuencia de rotación de la producción de metanol aumentó a 43,6 h-1 con una conversión EC inferior al 15%.
Los resultados de los estudios de caracterización y cinética mostraron que las superposiciones de carbono grafítico interactuaban sinérgicamente con el Cu+ y Cu0 Sitios para facilitar la hidrogenación de EC en lugar de inhibir las reacciones superficiales.
Las regiones moderadamente ácidas de Lewis en la superficie del nanocatalizador también favorecieron la producción de metanol.
Debido a los bajos costos de producción, el nanocatalizador basado en nanopartículas de Cu demostró ser prometedor para aplicaciones industriales.
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Relación
Song T, Qi Y, Zhao C, Wu P y Li X (2022). El carbono derivado del sorbitol superpone nanopartículas de Cu encapsuladas en SiO2: Estable y eficiente para la hidrogenación continua de carbonato de etileno. CIENCIAS. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105239
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