Complete el siguiente formulario y le enviaremos por correo electrónico la versión PDF de “Nuevas mejoras tecnológicas para convertir el dióxido de carbono en combustible líquido”.
El dióxido de carbono (CO2) es el resultado de la quema de combustibles fósiles y el gas de efecto invernadero más común, que puede reconvertirse en combustibles útiles de forma sostenible. Una forma prometedora de convertir las emisiones de CO2 en materia prima para combustibles es un proceso denominado reducción electroquímica. Sin embargo, para que sea comercialmente viable, el proceso debe mejorarse para seleccionar o producir productos ricos en carbono más deseados. Ahora, como se informa en la revista Nature Energy, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha desarrollado un nuevo método para mejorar la superficie del catalizador de cobre utilizado en la reacción auxiliar, aumentando así la selectividad del proceso.
“Aunque sabemos que el cobre es el mejor catalizador para esta reacción, no proporciona una alta selectividad para el producto deseado”, afirmó Alexis Spell, científico principal del Departamento de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley y profesor de ingeniería química en la Universidad de California, Berkeley. “Nuestro equipo descubrió que se puede utilizar el entorno local del catalizador para lograr este tipo de selectividad”.
En estudios previos, investigadores han establecido condiciones precisas para proporcionar el mejor entorno eléctrico y químico para la creación de productos ricos en carbono con valor comercial. Sin embargo, estas condiciones son contrarias a las que se dan de forma natural en las pilas de combustible típicas que utilizan materiales conductores a base de agua.
Para determinar el diseño aplicable al entorno acuático de las pilas de combustible, como parte del proyecto del Centro de Innovación Energética de la Alianza Liquid Sunshine del Ministerio de Energía, Bell y su equipo recurrieron a una fina capa de ionómero, que permite el paso de ciertas moléculas cargadas (iones). Excluye otros iones. Gracias a sus propiedades químicas altamente selectivas, son especialmente adecuados para tener un fuerte impacto en el microambiente.
Chanyeon Kim, investigador postdoctoral del grupo Bell y primer autor del artículo, propuso recubrir la superficie de catalizadores de cobre con dos ionómeros comunes, Nafion y Sustainion. El equipo planteó la hipótesis de que esto debería modificar el entorno cercano al catalizador, incluyendo el pH y la cantidad de agua y dióxido de carbono, para dirigir la reacción y producir productos ricos en carbono que puedan convertirse fácilmente en sustancias químicas útiles. Productos y combustibles líquidos.
Los investigadores aplicaron una capa fina de cada ionómero y una capa doble de dos ionómeros a una película de cobre soportada por un material polimérico para formar una película que insertaron cerca de un extremo de una celda electroquímica con forma de mano. Al inyectar dióxido de carbono en la batería y aplicar voltaje, midieron la corriente total que circulaba por ella. Posteriormente, midieron el gas y el líquido acumulados en el depósito adyacente durante la reacción. En el caso de dos capas, descubrieron que los productos ricos en carbono representaban el 80 % de la energía consumida por la reacción, cifra superior al 60 % en el caso sin recubrimiento.
“Este recubrimiento tipo sándwich ofrece lo mejor de ambos mundos: alta selectividad del producto y alta actividad”, afirmó Bell. La superficie de doble capa no solo es adecuada para productos ricos en carbono, sino que también genera una corriente intensa al mismo tiempo, lo que indica un aumento de la actividad.
Los investigadores concluyeron que la mejor respuesta se debía a la alta concentración de CO2 acumulada en el recubrimiento directamente sobre el cobre. Además, las moléculas con carga negativa que se acumulan en la región entre los dos ionómeros producen una menor acidez local. Esta combinación compensa las compensaciones de concentración que suelen producirse en ausencia de películas de ionómero.
Para mejorar aún más la eficiencia de la reacción, los investigadores recurrieron a una tecnología ya probada que no requiere una película de ionómero como método adicional para aumentar el CO₂ y el pH: el voltaje pulsado. Al aplicar voltaje pulsado al recubrimiento de ionómero de doble capa, los investigadores lograron un aumento del 250 % en los productos ricos en carbono en comparación con el cobre sin recubrimiento y el voltaje estático.
Aunque algunos investigadores centran su trabajo en el desarrollo de nuevos catalizadores, su descubrimiento no considera las condiciones de operación. Controlar el entorno en la superficie del catalizador es un método nuevo y diferente.
“No creamos un catalizador completamente nuevo, sino que utilizamos nuestro conocimiento de la cinética de reacción y este conocimiento nos ayudó a pensar en cómo modificar el entorno del sitio del catalizador”, afirmó Adam Weber, ingeniero sénior. Científico del campo de la tecnología energética en Berkeley Laboratories y coautor de artículos.
El siguiente paso es ampliar la producción de catalizadores recubiertos. Los experimentos preliminares del equipo del Laboratorio Berkeley involucraron pequeños sistemas de modelos planos, mucho más simples que las estructuras porosas de gran superficie requeridas para aplicaciones comerciales. "No es difícil aplicar un recubrimiento sobre una superficie plana. Sin embargo, los métodos comerciales pueden implicar el recubrimiento de pequeñas esferas de cobre", afirmó Bell. Añadir una segunda capa de recubrimiento se vuelve un desafío. Una posibilidad es mezclar y depositar los dos recubrimientos juntos en un disolvente, y esperar que se separen al evaporarse el disolvente. ¿Y si no lo hacen? Bell concluyó: "Solo necesitamos ser más inteligentes". Véase Kim C, Bui JC, Luo X y otros. Microambiente de catalizador personalizado para la electrorreducción de CO₂ a productos multicarbonados mediante recubrimiento de ionómero de doble capa sobre cobre. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Este artículo es una reproducción del siguiente material. Nota: El material puede haber sido editado por razones de extensión y contenido. Para más información, contacte con la fuente citada.
Hora de publicación: 22 de noviembre de 2021
