La reducción electroquímica de CO2 (eCO2RR) para producir productos de carbono de valor añadido, especialmente etanol, se presenta como una estrategia eficaz para la conversión sostenible de energía y el logro de la neutralidad de carbono. A pesar de que el cobre (Cu) es el electrocatalizador estándar para la formación de productos C2+, presenta limitaciones inherentes relacionadas con su densidad, resistencia mecánica, susceptibilidad a entornos corrosivos y el desafío continuo de alcanzar una alta selectividad y estabilidad operativa. Esta situación subraya la necesidad de explorar arquitecturas catalíticas innovadoras.
Innovaciones en el soporte de electrocatalizadores
Un estudio reciente liderado por los profesores Abudukeremu Kadier y Ma Pengcheng del Instituto Técnico de Física y Química de Xinjiang (XTIPC) de la Academia China de Ciencias, introduce el tejido de fibra de basalto (BFF) como un soporte novel y de alto rendimiento para electrocatalizadores de Cu. Este trabajo fue publicado en la revista Energy.
El BFF fue seleccionado por sus propiedades únicas: baja densidad, excepcional resistencia mecánica, inercia química sobresaliente y resistencia a la corrosión, lo que lo convierte en una alternativa prometedora a los soportes de catalizadores tradicionales. Además, la provincia de Xinjiang cuenta con abundantes reservas naturales de basalto, posicionando al BFF como un material potencialmente de bajo coste.
Los investigadores, aprovechando estas propiedades intrínsecas, desarrollaron una plataforma catalítica robusta mediante un sencillo proceso de deposición electroless de Cu. Este proceso resultó en un material conductor depositado uniformemente con una carga de Cu sustancial del 96,79% en peso.
El BFF depositado con Cu mostró una densidad significativamente menor (3,08±0,4 g/cm3) en comparación con el Cu a granel (8,96 g/cm3), además de demostrar propiedades mecánicas mejoradas (fuerzas de ruptura de 3308±25 N en la dirección de la urdimbre y 665±20 N en la dirección de la trama) y alta conductividad eléctrica (4,81 × 105 S/m antes de la eCO2RR, disminuyendo ligeramente a 4,58 × 105 S/m después de la reacción).
La caracterización electroquímica integral en electrolitos de bicarbonato de potasio (KHCO3) saturados de CO2 (que varían de 0,1 M a 2,0 M) reveló que el electrocatalizador desarrollado alcanzó una densidad de corriente de 25,93 mA/cm² con una eficiencia Faradaica (FE) excepcional del 97,01% para la producción de etanol a un voltaje aplicado de -0,8 V frente al electrodo de hidrógeno reversible (RHE) en una celda H convencional.
El análisis mecanicista indicó que el catalizador favoreció principalmente una vía compleja de 12 electrones para la síntesis de C2H5OH, aunque también se notaron reacciones competitivas menores: un proceso de dos electrones para la formación de CO (0,42% FE) y un proceso de ocho electrones para la formación de CH4 (0,43% FE), junto con una reacción de evolución de hidrógeno limitada (H2, 2,14% FE).
La notablemente alta FE para etanol resalta las propiedades de superficie optimizadas y las condiciones de reacción que promueven la vía de reducción de CO2 multi-electrónica. Además, aumentar la concentración del electrolito a 1,5 M KHCO3 mejoró sustancialmente el rendimiento catalítico, alcanzando una impresionante densidad de corriente de 184,51 mA/cm² y una FE notable del 98,02% para etanol, demostrando una selectividad sin precedentes.
Por otra parte, el BFF depositado con Cu exhibió una longevidad operativa excepcional, manteniendo el 98,8% y el 99,6% de su densidad de corriente inicial después de 100 horas de electrólisis continua en electrolitos de 0,1 M y 1,5 M KHCO3, respectivamente. Esta estabilidad excepcional durante 100 horas de operación continua se puede atribuir a la resistencia mecánica inherente y a la resistencia a la corrosión del soporte BFF, que mantiene eficazmente la integridad estructural y la actividad catalítica del Cu.
Esta investigación establece al BFF como un material de soporte novel, multifuncional y escalable para el diseño racional de electrocatalizadores de Cu robustos y de alto rendimiento para la conversión eficiente de CO2, representando un avance significativo hacia la química sostenible y la mitigación del cambio climático.
