Catalizadores CuPt soportados en materiales de carbono para la electro-reducción de CO2

Abstract

La reducción de CO2 por vía electroquímica es una alternativa novedosa con altas expectativas de cara a la reutilización de corrientes concentradas de CO2, con el fin de obtener productos de alto valor añadido (como alcoholes e hidrocarburos) con aplicaciones energéticas o para la síntesis química. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de la reacción de reducción de CO2 (CO2RR) es la alta estabilidad de esta molécula bajo condiciones ambientales, lo que implica la necesidad de utilizar una gran cantidad de energía para obtener cantidades razonables de dichos productos. Además, la reducción de CO2 viene inevitablemente acompañada de la evolución de hidrógeno cuando se lleva a cabo en electrolitos acuosos. En este contexto, la utilización de catalizadores altamente activos y selectivos hacia los compuestos de interés se torna esencial para aumentar la eficiencia de la reacción. Entre los diferentes sistemas catalíticos, los catalizadores basados en cobre son los más prometedores para la electro-reducción de CO2 debido a la actividad única de este metal a la formación de hidrocarburos, alcoholes y aldehídos. Sin embargo, se requieren altos sobrepotenciales para alcanzar densidades de corriente sustanciales. Una posible solución es el uso de catalizadores bimetálicos usando cobre y un metal noble (por ejemplo, Pt). De este modo, la presencia del metal noble es de utilidad para disminuir el sobrepotencial de la reacción mientras que el cobre permite modular la selectividad a compuestos derivados de la reducción de CO2. Además, el uso de un soporte adecuado con alta área superficial permite dispersar la fase activa (normalmente en forma de nanopartículas), mejorando la utilización del metal y la distribución del CO2 en la superficie del catalizador y, por tanto, favoreciendo el proceso y disminuyendo el coste del electrodo. Por ello, el uso de nanopartículas metálicas soportadas en materiales de carbono representa una vía prometedora para la electro-reducción de CO2. En este trabajo se han estudiado las propiedades fisicoquímicas y el comportamiento electroquímico de catalizadores bimetálicos CuPt soportados sobre materiales de carbono (CuPt/C, 20% en peso de cobre) para la reacción de electro-reducción de CO2. Los catalizadores se sintetizaron siguiendo una ruta de dos etapas. En primer lugar, se prepararon nanopartículas de Cu soportadas en carbono mediante un método de impregnación-reducción usando borohidruro de sodio como agente reductor. Seguidamente, el Pt se incorporó mediante desplazamiento galvánico con el objetivo de obtener una superficie enriquecida del metal más noble. Se realizaron diferentes variaciones experimentales en los tiempos de reducción del Cu y la adición del Pt, así como el pH del medio, con el fin de optimizar la metodología de síntesis. Asimismo, se utilizaron diferentes ratios atómicos de Cu:Pt para estudiar su influencia en la CO2RR.