Nanotubos de carbono para reforzar la electrocatálisis

La electrocatálisis desempeña un papel vital en el desarrollo de energías limpias, la eliminación de gases de efecto invernadero y las tecnologías de almacenamiento de energía. Un nuevo estudio revela ahora que los nanotubos de carbono de una sola pared son sustratos excelentes para mejorar la conversión del principal gas de efecto invernadero, el dióxido de carbono, mediante la curvatura molecular.

Utilizando estos nanotubos como soporte para inducir tensión mecánica en un electrocatalizador, se puede mejorar significativamente la eficiencia de la reacción de reducción del dióxido de carbono a metanol.

Este avance abre nuevas vías para desarrollar electrocatalizadores moleculares curvados que conviertan eficientemente el dióxido de carbono (CO2) en combustibles y productos químicos útiles, reduciendo así las emisiones de carbono.

Muchos complejos moleculares, como la ftalocianina de cobalto (CoPc), son catalizadores eficientes para una reacción química de reducción del CO2. Sin embargo, reducen principalmente el CO2 a monóxido de carbono (CO), un gas tóxico, sin generar además una cantidad sustancial de sustancias útiles, como el metanol.

Un equipo integrado, entre otros, por Jianjun Su y Ye Ruquan, de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, en China, se propuso explorar el potencial de la ftalocianina de cobalto más allá de la producción de monóxido de carbono.

Al mismo tiempo, se sabe que la tensión mecánica afecta a las propiedades de los materiales bidimensionales (en capas con el grosor aproximado de un átomo, en la escala de los nanómetros. "El uso de sustratos (o soportes) curvos, para inducir la tensión mecánica local está bien establecido para modular las propiedades de los materiales estratificados convencionales", explica Ye. "Pero el control racional de la tensión mecánica de moléculas planas es un reto debido a su tamaño ultrapequeño. Y ha venido existiendo mucho desconocimiento sobre cómo afecta la tensión mecánica a las propiedades moleculares".

Los autores del nuevo estudio investigaron también la reactividad de los catalizadores de ftalocianina de cobalto a escala nanométrica, adoptando ingeniería de tensión mecánica inducida por soporte. Introdujeron con éxito la tensión mecánica controlada en moléculas de menos de 2 nanómetros del catalizador utilizando nanotubos de carbono de pared única como soporte. La curvatura de los nanotubos debida a las interacciones moleculares induce la tensión mecánica de las moléculas catalíticas, lo que provoca que también se curven. El uso de sustratos de nanotubos de carbono de distintos diámetros permite sintonizar el ángulo de flexión de las moléculas de ftalocianina de cobalto entre los 96 grados (para nanotubos de carbono de 1 nanómetro de diámetro) y 1,5 grados (para nanotubos de carbono de 100 nanómetros de diámetro).

Mediante la curvatura de los nanotubos de carbono y su diámetro, se puede regular la eficiencia de una reacción de reducción de dióxido de carbono que aumenta hasta el 60 por ciento la eficiencia de la conversión de CO2 a metanol. (Imagen: equipo de investigación de Ye Ruquan / City University of Hong Kong)

En comparación con las moléculas tratadas normalmente, las moléculas curvadas por acción de los nanotubos mostraron un mejor rendimiento electrocatalítico. Su selectividad para la reducción de CO2 fue mucho mayor, favoreciendo la producción de metanol frente a la de monóxido de carbono.

El equipo de Su y Ruquan expone los detalles técnicos de sus innovaciones en la revista académica Nature Catalysis, bajo el titulo “Strain enhances the activity of molecular electrocatalysts via carbon nanotube supports”. (Fuente: NCYT de Amazings)