L’aigua no és un simple líquid: en la seva disposició adequada, afavoreix la conversió de CO2 en productes químics útils
L’aigua és un ingredient clau en les tecnologies per fabricar combustibles sostenibles, com l’electròlisi de CO2, però fins ara es considerava un simple element passiu. Investigadors de l’ICFO i de l’ICIQ han demostrat en un estudi publicat a Nature Catalysis que l’aigua interfacial té un paper actiu en la reducció de CO2, ja que regula l’accés d’aquest gas a la interfície reactiva i, amb això, la posterior producció de compostos multicarbonats.
Enmig dels nombrosos esforços per mitigar l’escalfament global, la comunitat científica està explorant diferents vies sostenibles per reduir els gasos d’efecte d’hivernacle. Una d’aquestes vies és l’electroreducció de CO2 (CO2R), un procés que utilitza electricitat per transformar el CO2 en compostos multicarbonats d’ús generalitzat que avui s’obtenen a partir de combustibles fòssils, com ara l’etilè i l’etanol.
En la CO2R, les molècules de CO2 s’adsorbeixen en un catalitzador catòdic, on es trenquen i es recombinen per formar molècules de més energia gràcies als electrons i protons que aporta l’aigua. En aquest procés, tradicionalment s’ha considerat que l’aigua és un element passiu, però la situació canvia quan augmenta la velocitat de reacció. Els investigadors de l’ICFO, el Dr. Anku Guha, la Dra. Bárbara Polesso, en Prathama Haldar, en Ranit Ram, l’Adrián Pinilla-Sánchez, el Dr. Indrajit Mondal, i en David Kernan, dirigits pel Prof. de l’ICFO F. Pelayo García de Arquer, juntament amb investigadors de l’ICIQ, han anat un pas més enllà en estudiar el paper de l’aigua interfacial en la CO2R. Gràcies a l’aplicació, per primera vegada, de l’espectroscòpia Raman operando en un reactor d’alt rendiment i de rellevància industrial, l’equip ha pogut observar que l’aigua no és un element passiu, sinó que regula l’accés del CO2 a la interfície del catalitzador, així com les etapes posteriors de la reacció.
L’aigua es pot classificar segons com s’estructura mitjançant enllaços d’hidrogen. Sobre una superfície polaritzada, les molècules d’aigua poden formar xarxes ordenades o desordenades, i també poden estar alineades o no amb el camp elèctric de la interfície. Segons l’estudi, publicat a Nature Catalysis, una determinada disposició de l’aigua (desordenada i alineada amb el camp elèctric) afavoreix la conversió del CO2 en productes químics de valor. En canvi, altres configuracions en què l’aigua està cada cop més ordenada inhibeixen la reacció desitjada. “Ens va sorprendre descobrir que l’aigua en si mateixa podia actuar com si fos un guarda del CO2”, explica el Dr. Anku Guha, primer autor de l’article. “Però vam veure que la seva estructura a la interfície pot determinar si el CO2 arriba o no al catalitzador i si es produeix la reacció desitjada”.
Aquests resultats han estat possibles gràcies a l’espectroscòpia Raman duta a terme durant el funcionament del sistema a densitats de corrent d’interès industrial, una fita que els investigadors han assolit per primera vegada. Els estudis anteriors es basaven en l’espectroscòpia Raman in situ, que analitza el catalitzador en el seu entorn de reacció, però normalment en condicions simplificades i allunyades de les aplicacions reals. Per aquest motiu, la participació activa de l’aigua interfacial en la CO2R no estava a l’abast d’aquest enfocament convencional, una limitació que la nova tècnica finalment ha superat.
El següent pas, segons els autors, és ajustar l’entorn del càtode modificant paràmetres com el recobriment del catalitzador o la temperatura externa, de manera que s’afavoreixi i es mantingui a la interfície el tipus adequat de xarxa d’aigua. El Prof. Pelayo García de Arquer, investigador principal de l’estudi, assenyala que “comprendre millor l’aigua i controlar-la de manera activa podria suposar un punt d’inflexió en el desenvolupament de les futures tecnologies de conversió de CO2”.
Referència:
Guha, A., Seemakurthi, R.R., Polesso, B. et al. Operando resolution of CO2 electrolysis interfaces at application-relevant current density reveals water gating. Nat Catal (2026). https://doi.org/10.1038/s41929-026-01620-w
Agraïments:
ICFO thanks the Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, CEX2024-001490-S, the European Union (NASCENT, 101077243), PID2022-138127NA-I00 and RED2024-154266-T projects funded by the MCIN/AEI/10.13039/501100011033/ FEDER, UE. A.G. thanks JDC2023-052976-I and A.P.S. acknowledges PRE2021-098995 and FSE+. R.R.S. acknowledges funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement no. 754510. R.R.S. and N.L. thank the Spanish Ministry of Science and Innovation (PID2021-122516OBI00) for the financial support.