Rellene el formulario a continuación y le enviaremos por correo electrónico la versión en PDF de “Nuevas mejoras tecnológicas para convertir el dióxido de carbono en combustible líquido”.
El dióxido de carbono (CO2) es el producto de la combustión de combustibles fósiles y el gas de efecto invernadero más común, que puede transformarse en combustibles útiles de forma sostenible. Una vía prometedora para convertir las emisiones de CO2 en materia prima para combustibles es un proceso denominado reducción electroquímica. Sin embargo, para que sea comercialmente viable, es necesario mejorarlo para seleccionar o producir productos con mayor contenido de carbono. Ahora, según informa 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.
“Si bien sabemos que el cobre es el mejor catalizador para esta reacción, no proporciona una alta selectividad para el producto deseado”, afirmó Alexis Spell, científico sénior del Departamento de Ciencias Químicas del Laboratorio 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 realizar diversas modificaciones que permitan obtener este tipo de selectividad”.
En estudios previos, los 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 que se puede utilizar en el entorno acuoso de la pila de combustible, en el marco 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) y excluye otros iones. Gracias a sus propiedades químicas altamente selectivas, resultan especialmente adecuadas para influir significativamente en el microambiente.
Chanyeon Kim, investigadora postdoctoral del grupo Bell y primera autora del artículo, propuso recubrir la superficie de los catalizadores de cobre con dos ionómeros comunes: Nafion y Sustainion. El equipo planteó la hipótesis de que esto modificaría el entorno cercano al catalizador —incluidos el pH y la cantidad de agua y dióxido de carbono— de alguna manera para dirigir la reacción hacia la producción de productos ricos en carbono que pueden convertirse fácilmente en productos químicos útiles y combustibles líquidos.
Los investigadores aplicaron una fina capa de cada ionómero y una doble capa de ambos sobre una película de cobre soportada por un material polimérico para formar una película que podían insertar cerca de un extremo de una celda electroquímica con forma de mano. Al inyectar dióxido de carbono en la celda y aplicar voltaje, midieron la corriente total que la atravesaba. Posteriormente, midieron el gas y el líquido recogidos en el depósito adyacente durante la reacción. En el caso de la doble capa, observaron que los productos ricos en carbono representaban el 80 % de la energía consumida por la reacción, un porcentaje 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 ideal para productos ricos en carbono, sino que también genera una fuerte corriente simultáneamente, 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 generan una menor acidez local. Esta combinación compensa las desventajas 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 previamente probada que no requiere una película de ionómero como método alternativo para aumentar el CO2 y el pH: el voltaje pulsado. Al aplicar voltaje pulsado al recubrimiento de ionómero de doble capa, lograron un aumento del 250 % en los productos ricos en carbono en comparación con el cobre sin recubrimiento y el voltaje estático.
Si bien algunos investigadores centran su trabajo en el desarrollo de nuevos catalizadores, el descubrimiento de estos no tiene en cuenta las condiciones de operación. Controlar el entorno en la superficie del catalizador es un método novedoso y diferente.
«No creamos un catalizador completamente nuevo, sino que utilizamos nuestro conocimiento de la cinética de reacción para orientarnos sobre cómo modificar el entorno del sitio catalítico», afirmó Adam Weber, ingeniero sénior y científico especializado en tecnología energética en los Laboratorios Berkeley, además de ser coautor de los artículos.
El siguiente paso es ampliar la producción de catalizadores recubiertos. Los experimentos preliminares del equipo del Laboratorio Berkeley involucraron pequeños sistemas modelo planos, mucho más sencillos que las estructuras porosas de gran superficie necesarias para aplicaciones comerciales. “No es difícil aplicar un recubrimiento sobre una superficie plana. Pero los métodos comerciales pueden implicar recubrir diminutas esferas de cobre”, dijo Bell. Agregar una segunda capa de recubrimiento se vuelve un desafío. Una posibilidad es mezclar y depositar los dos recubrimientos juntos en un disolvente, con la esperanza de que se separen al evaporarse el disolvente. ¿Qué sucede si no se separan? Bell concluyó: “Simplemente necesitamos ser más ingeniosos”. Véase Kim C, Bui JC, Luo X y otros. Customized catalyst microenvironment for electro-reduction of CO2 to multi-carbon products using double-layer ionomer coating on copper. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Este artículo se reproduce a partir del siguiente material. Nota: El material puede haber sido editado para ajustarse a la extensión y el contenido. Para obtener más información, póngase en contacto con la fuente citada.
Fecha de publicación: 22 de noviembre de 2021
