Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction

La atmósfera está llena de dióxido de carbono, un gas que atrapa el calor e impulsa el cambio climático. Si bien la naturaleza ha dependido durante mucho tiempo de las plantas para extraer este gas del aire, los científicos están explorando una forma de hacerlo con electricidad. Este proceso, conocido como reducción electroquímica, utiliza energía renovable para forzar al dióxido de carbono a reaccionar con el agua, convirtiendo un producto de desecho en combustibles o productos químicos útiles. El desafío radica en la química: el dióxido de carbono es una molécula muy estable que se resiste al cambio, y cuando los investigadores intentan descomponerla, a menudo produce una mezcla desordenada de diferentes sustancias o simplemente crea gas hidrógeno en lugar del combustible deseado. Para resolver esto, los científicos necesitan materiales especiales llamados catalizadores que puedan guiar la reacción para producir exactamente lo que desean, como el monóxido de carbono, un ingrediente clave para fabricar combustibles sintéticos, sin desperdiciar energía en reacciones secundas no deseadas.

En un estudio reciente, investigadores del Consejo Nacional de Investigación en Italia y la Universidad de Milano-Bicocca abordaron este problema diseñando un nuevo tipo de catalizador utilizando dos metales comunes: plata y cobre. Querían ver si podían combinar estos metales en una capa delgada para obtener lo mejor de ambos mundos. La plata es conocida por ser buena produciendo monóxido de carbono, mientras que el cobre es famoso por su capacidad para unir átomos de carbono, aunque a menudo produce demasiados productos distintos a la vez. El equipo utilizó una técnica llamada deposición física de vapor, que es esencialmente una forma de rociar átomos de metal sobre una superficie en un vacío, para recubrir una tela de carbono con estos metales. Al controlar cuidadosamente cuánto metal se rociaba y con qué rapidez, crearon una serie de películas delgadas con diferentes proporciones de plata y cobre. Su objetivo era encontrar el equilibrio perfecto donde el material fuera altamente selectivo, produciendo principalmente monóxido de carbono y manteniendo al mínimo la producción de gas hidrógeno.

Los investigadores comenzaron probando cómo la cantidad de metal depositado afectaba la forma y el rendimiento del catalizador. Rociaron los metales sobre la tela de carbono durante un tiempo fijo, pero variaron la corriente eléctrica utilizada para impulsar el proceso. Descubrieron que el uso de una corriente más baja creaba partículas metálicas más pequeñas y dispersas, mientras que una corriente más alta conducía a cúmulos más grandes que cubrían más superficie. Sorprendentemente, las muestras con la mayor carga de metal no fueron las que mejor funcionaron. En su lugar, los catalizadores con una cantidad moderada de metal, depositados a una corriente más baja, ofrecieron un mejor equilibrio. Estas muestras tenían suficiente superficie para que ocurriera la reacción, pero evitaban el hacinamiento que parecía bloquear los sitios activos necesarios para la transformación química. Esto sugirió que añadir más metal no era la solución; la disposición y la accesibilidad de los átomos de metal eran mucho más importantes.

A continuación, el equipo se centró en la proporción de plata y cobre, probando mezclas donde la plata representaba el 75, el 50 o el 25 por ciento del contenido metálico. Descubrieron que la composición de la película tenía un impacto directo en lo que producía el catalizador. Las muestras ricas en cobre tendían a generar más gas hidrógeno, que es una reacción competidora que desperdicia energía. Por el contrario, las muestras con más plata fueron mucho mejores para dirigir la reacción hacia el monóxido de carbono. El catalizador más exitoso fue una película que contenía un 75 por ciento de plata y un 25 por ciento de cobre. Esta mezcla específica logró una eficiencia de conversión del 47 por ciento para el monóxido de carbono, lo que significa que casi la mitad de la corriente eléctrica que entra en el sistema se utilizó para fabricar el gas deseado. Este rendimiento fue comparable al de un catalizador hecho de plata pura, demostrando que el sistema bimetálico podía igualar la eficiencia del metal puro ofreciendo, al mismo tiempo, una plataforma ajustable para la optimización.

A lo largo de los experimentos, los investigadores utilizaron potentes microscopios y herramientas de rayos X para observar de cerca los catalizadores. Confirmaron que los átomos de plata y cobre estaban distribuidos uniformemente a través de la tela de carbono, formando una capa uniforme en lugar de islas separadas de metal. También observaron que los átomos de metal formaban un tipo específico de estructura de aleación, donde los dos metales estaban mezclados a nivel atómico. Para probar la estabilidad de esta estructura, realizaron un experimento separado en el que calentaron una muestra; descubrieron que la aleación se descomponía en plata pura y cobre puro, y el rendimiento disminuía significativamente. Esto confirmó que el estado mixto de los metales era esencial para que el catalizador funcionara bien, ya que las fases separadas eran menos activas. El estudio también comprobó otros posibles productos, como ácidos líquidos o alcoholes, pero solo encontró cantidades traza, lo que indica que la reacción estaba muy enfocada en la producción de monóxido de carbono e hidrógeno.

El trabajo demuestra que es posible crear catalizadores altamente efectivos ajustando cuidadosamente la composición y el método de aplicación. Los investigadores demostraron que el uso de la deposición física de vapor permite un control preciso sobre la carga de metal y la proporción de elementos, dando lugar a materiales que son tanto eficientes como económicos. Aunque los resultados actuales son prometedores, los autores señalan que todavía hay margen de mejora. Factores como la presión del gas dióxido de carbono y la configuración específica de la celda de reacción podrían aumentar aún más el rendimiento. Por ahora, el estudio proporciona un camino claro a seguir, demostrando que una mezcla simple y controlada de plata y cobre puede servir como una plataforma robusta para convertir el dióxido de carbono en un valioso componente químico.