CO₂ Photoreduction to CH₄ Performance Under Concentrating Solar Light

La utilización de combustibles fósiles va acompañada de grandes cantidades de emisiones de CO2, contribuyendo en gran medida al calentamiento global. La captura, el almacenamiento y la conversión de CO₂ son esenciales para reducir el contenido de CO₂ en la atmósfera¹. La fotoreducción de CO₂ a hidrocarburos puede reducir EL_2,convertir CO₂ en combustibles y ahorrar energía solar. Sin embargo, el CO2 es una molécula extremadamente estable. Su enlace C-O posee una mayor energía de disociación (alrededor de 750 kJ/mol)². Esto significa que el CO2 es muy difícil de activar y transformar, y sólo las luces cortas de longitud de onda con alta energía pueden ser funcionales durante el proceso. Por lo tanto, los estudios de fotoreducción de CO₂ sufren de bajas eficiencias de conversión y tasas de reacción en la actualidad. La mayoría de las tasas de rendimiento de CH₄ notificadas son sólo en varios niveles de_cata^-1-1 en un catalizador TiO₂ ^3,4. El diseño y la fabricación de sistemas fotocatalíticos con alta eficiencia de conversión y tasa de reacción para la reducción de CO2 siguen siendo un desafío.

Un área popular de investigación en catalizadores de fotoreducción de CO₂ es ampliar la banda de luz disponible al espectro visible y mejorar la eficiencia de utilización de estas longitudes de onda^5,6. En su lugar, en este manuscrito, tratamos de aumentar la tasa de reacción mejorando la intensidad de la luz. Como la fuerza motriz de una reacción fotocatalítica es la luz solar, la idea básica es utilizar la tecnología de concentración para aumentar la intensidad de la luz solar incidente y, por lo tanto, aumentar la tasa de reacción. Esto es similar a un proceso termocatalítico, donde la tasa de reacción se puede aumentar aumentando la temperatura. Por supuesto, el efecto de temperatura no se puede aumentar infinitamente, y también con la intensidad de la luz; un objetivo importante de esta investigación es encontrar una relación de intensidad o concentración de luz adecuada.

Este no es el primer experimento que utiliza tecnología de concentración. De hecho, ha sido ampliamente utilizado en la concentración de energía solar y tratamiento de aguas residuales^7,8. Los biomateriales como el aserrín de madera de haya se pueden pirolizar en un reactor solar^9,10. Algunos informes anteriores han mencionado el método de fotoreducción de CO₂ ^11,12,13. Una muestra exhibió un incremento del 50% en el rendimiento del producto cuando la intensidad de la luz se duplicó¹⁴. Nuestro grupo ha descubierto que la luz de concentración puede aumentar la tasa de rendimiento de CH₄ con un aumento de hasta 12 veces en intensidad. Además, el pretratamiento del catalizador antes de la reacción mediante la concentración de la luz puede aumentar aún más la tasa de rendimiento de CH₄ ¹⁵. Aquí, demostramos el sistema experimental y el método en detalle.