Un singolo punto quantico di grafene drogato con azoto con bordi a zig-zag. Credito:Ajayan Group/Rice University
I punti quantici di grafene possono offrire un modo semplice per riciclare l'anidride carbonica di scarto in combustibile prezioso piuttosto che rilasciarlo nell'atmosfera o seppellirlo sottoterra, secondo gli scienziati della Rice University.
I punti quantici di grafene drogato con azoto (NGQD) sono un efficiente elettrocatalizzatore per produrre idrocarburi complessi dall'anidride carbonica, secondo il gruppo di ricerca guidato dallo scienziato dei materiali di riso Pulickel Ajayan. Utilizzando l'elettrocatalisi, il suo laboratorio ha dimostrato la conversione del gas serra in piccoli lotti di etilene ed etanolo.
La ricerca è dettagliata questa settimana in Comunicazioni sulla natura .
Anche se non capiscono del tutto il meccanismo, i ricercatori hanno scoperto che gli NGQD hanno funzionato in modo quasi altrettanto efficiente del rame, che viene anche testato come catalizzatore per ridurre l'anidride carbonica in combustibili liquidi e prodotti chimici. E i NGQD mantengono la loro attività catalitica per lungo tempo, hanno riferito.
"È sorprendente perché le persone hanno provato tutti i diversi tipi di catalizzatori. E ci sono solo poche scelte reali come il rame, " ha detto Ajayan. "Penso che quello che abbiamo trovato sia fondamentalmente interessante, perché fornisce un percorso efficiente per lo screening di nuovi tipi di catalizzatori per convertire l'anidride carbonica in prodotti di valore più elevato".
Questi problemi non sono certo un segreto. L'anidride carbonica atmosferica ha superato le 400 parti per milione all'inizio di quest'anno, il più alto è stato in almeno 800, 000 anni, come misurato attraverso l'analisi del nucleo di ghiaccio.
I punti quantici di grafene drogato con azoto si distinguono da un substrato in un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione. I punti sono elettrocatalizzatori efficaci in grado di ridurre l'anidride carbonica, un gas serra, a preziosi idrocarburi come etilene ed etanolo. Credito:Ajayan Group/Rice University
"Se potessimo convertire una frazione considerevole dell'anidride carbonica emessa, potremmo frenare i crescenti livelli di anidride carbonica atmosferica, che sono stati collegati al cambiamento climatico, ", ha affermato il coautore Paul Kenis dell'Università dell'Illinois.
Nei test di laboratorio, Gli NGQD si sono dimostrati in grado di ridurre l'anidride carbonica fino al 90% e di convertire il 45% in etilene o alcol, paragonabile agli elettrocatalizzatori di rame.
I punti quantici di grafene sono fogli dello spessore di un atomo di atomi di carbonio che sono stati suddivisi in particelle dello spessore di circa un nanometro e larghe solo pochi nanometri. L'aggiunta di atomi di azoto ai punti consente reazioni chimiche variabili quando viene applicata una corrente elettrica e viene introdotta una materia prima come l'anidride carbonica.
"Il carbonio in genere non è un catalizzatore, " Ajayan ha detto. "Una delle nostre domande è perché questo doping è così efficace. Quando l'azoto viene inserito nel reticolo grafitico esagonale, ci sono più posizioni che può assumere. Ognuna di queste posizioni, a seconda di dove si trova l'azoto, dovrebbe avere una diversa attività catalitica. Quindi è stato un enigma, e sebbene la gente abbia scritto molti articoli negli ultimi 5-10 anni sul carbonio drogato e difettoso come catalizzatore, il puzzle non è davvero risolto."
Un'illustrazione di un punto quantico di grafene drogato con azoto come quelli testati alla Rice University per l'uso come catalizzatori per ridurre l'anidride carbonica, un gas serra, in preziosi idrocarburi. Credito:Ajayan Group/Rice University
"I nostri risultati suggeriscono che l'azoto piridinico (un composto organico di base) che si trova sul bordo dei punti quantici di grafene conduce alla conversione catalitica dell'anidride carbonica in idrocarburi, ", ha affermato il ricercatore postdottorato di Rice Jingjie Wu, co-autore dell'articolo. "Il prossimo compito è aumentare ulteriormente la concentrazione di azoto per contribuire ad aumentare la resa degli idrocarburi".
Ajayan ha notato che mentre l'elettrocatalisi è efficace su scala di laboratorio per ora, l'industria si basa sulla catalisi termica scalabile per produrre combustibili e prodotti chimici. "Per tale motivo, le aziende probabilmente non lo utilizzeranno presto per la produzione su larga scala. Ma l'elettrocatalisi può essere facilmente eseguita in laboratorio, e abbiamo dimostrato che sarà utile nello sviluppo di nuovi catalizzatori".
