Documento de Trabajo sobre investigación a través de cálculos de quimisorción y reducción, de la molécula de CO2 depositadas sobre la superficie (001) del dióxido de titanio dopado con clústeres de cobre

Abstract

El dióxido de carbono (CO2) es una molécula muy estable que resulta como producto de desecho en diversos procesos donde otras moléculas más energéticas decaen liberando su energía para la realización de trabajos útiles, como por ejemplo en los procesos de combustión. Sin embargo, su presencia es cada vez más problemática por el impacto negativo que causa en la atmósfera, donde su presencia excesiva debida a actividades de origen antrópico causa el bien conocido Efecto Invernadero. Una posible solución a este problema consiste en atrapar los gases de exhosto, ricos en CO2, que salen de las chimeneas de las plantas termoeléctricas y de otras industrias alrededor del mundo. Una vez encauzado a través de tuberías este CO2 gaseoso podría ser llevado a reactores fotocatalíticos, donde con la ayuda de la energía solar podrá transformarse en otra especie molecular y así favorecer su reutilización (cero emisiones). En este Documento de Trabajo se estudia la reacción de CO2, tanto puramente gaseoso como disuelto en agua, al entrar en contacto con nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) a las cuales se les han incorporado unos cuantos átomos de cobre (Cu) en su superficie. En este estudio se analiza la superficie minoritaria (001) del dióxido de titanio, en su fase anatasa, ya que se considera altamente reactiva y además recubre buena parte de las nanopartículas que se han mencionado. En general, estas nanopartículas modificadas son una tecnología que está al alcance de nuestras manos, pues otras muy similares ya han sido fabricadas experimentalmente en gran cantidad en años recientes y se comercializan libremente por el mundo a través de tiendas especializadas. De nuestros resultados se concluye que la ruptura de la molécula de CO2 procede mucho más fácilmente en presencia de hidrógeno (que provendría del H2O en un medio acuoso) que si se tuviera sólo un contacto directo del CO2 gaseoso con las nanopartículas de TiO2 + Cu. Nuestros estudios muestran que es posible calcular las diferencias de energía de todos los pasos considerados en esta reacción catalítica y que las transiciones, además de ser convenientes per sé, pueden ser adicionalmente favorecidas por la presencia de luz solar, la cual inyecta energía adicional en el sistema mediante la excitación de los electrones presentes en los átomos de titanio de las nanopartículas.

Carbon dioxide (CO2) is a very stable molecule since it results as a product in many actions that involve the release of internal energy, where highly energetic molecules react and decay into stable species, such as CO2, in order to produce some useful work, such as in combustion processes. However, its presence is more problematic everyday due to a large amount of emissions of this compound to the atmosphere due to human activities, causing the well known greenhouse effect. A possible way to mitigate this problem is to trap CO2-rich emissions from industrial settings and power plants. For example, it could be guided through pipes towards a place where the CO2 in gas form can enter catalytic reactors and it can be transformed into other molecular species with the help of visible light, making it possible to reuse it in a context of zero emissions. In this working paper we report the results of our studies on the last part of the process just described. We consider the CO2 reduction reaction as a pure gas and in aqueous media in contact with titanium dioxide (TiO2) nanoparticles, in addition, we have deposited a few copper atoms in chemical contact with one of the nanoparticle’s surfaces. The (001) surface of anatase TiO2 has been selected because it has been identified as a highly reactive, albeit unstable, surface that becomes stabilized thanks to size and shape constraints in nanoparticles, covering them as a minority surface. In general, the metal-oxide nanoparticles (such as TiO2) with metallic inclusions (copper in this case) have become readily available and can be purchased from many vendors around the globe. Our studies reveal that the CO2 reduction can proceed much faster in hydrogen-rich conditions (such as those present in aqueous media) if compared against the same type of carbon coordination change just through a contact of CO2 (g) and the Cu-modified surface. We show that it is possible to calculate energy differences between logic successive steps in a catalytic hydrogenation reaction and that those transitions, apart from being energetically favourable in their own right can also be enhanced in the presence of visible light, because an induced electron-hole pair would require the excitation of plasmon electrons located at some titanium atoms inside the nanoparticles and move them towards the copper atoms, leaving the hole behind at a large separation.