Se han realizado mejoras dramáticas en el proceso de conversión de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, al metanol, un combustible y un bloque de construcción para una amplia gama de materiales cotidianos, según los investigadores de Penn State.

Las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera están aumentando y el cambio climático se está convirtiendo en una preocupación mundial que requiere esfuerzos globales para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Un enfoque es utilizar dióxido de carbono como fuente de carbono en reacciones con hidrógeno, donde el hidrógeno se produce a partir del agua utilizando energía renovable, y la reacción sintetiza metanol. Esto ayudará a reducir las emisiones de dióxido de carbono y mitigar la dependencia de los combustibles fósiles.

Los investigadores han avanzado en el proceso de convertir el dióxido de carbono en metanol, que contiene cuatro partes de hidrógeno, una parte de oxígeno y una parte de carbono, mediante el desarrollo de un nuevo catalizador que utiliza una formulación específica de paladio y cobre. El trabajo teórico y experimental, publicado recientemente en Catálisis ACS , es el resultado de años de investigación experimental y computacional integrada realizada en asociación con la Universidad Tecnológica de Dalian en China junto con el Centro Conjunto Penn State-Dalian para la Investigación Energética. La investigación colaborativa de Penn State-Dalian descubrió los beneficios de combinar los dos metales como catalizador.

Un factor clave en la conversión de dióxido de carbono en metanol es encontrar un buen catalizador para que el metanol se pueda producir con alta selectividad a una tasa eficiente. En el rango de relación atómica de paladio a cobre de 0,3 a 0,4, la combinación de paladio y cobre produjo la conversión más eficiente de metanol a partir de dióxido de carbono utilizando nanopartículas del catalizador dispersas en un material de soporte poroso que aumentó el área superficial del catalizador. Con un catalizador del tamaño de una nuez, el área de la superficie interna del catalizador cubriría aproximadamente el área de un campo de fútbol.

Los investigadores encontraron que las nuevas formulaciones, utilizando la relación atómica precisa de los dos metales, aumentó la tasa de formación de metanol en tres veces más que el paladio solo y cuatro veces más que el cobre solo, lo que representa una mejora significativa con respecto a los métodos anteriores.

Canción de Chunshan, distinguido profesor de ciencia de los combustibles, profesor de ingeniería química y director de Energía de Ciencias de la Tierra y Minerales (EMS)

Instituto, comparó el proceso con un gato que atrapa a un ratón en la superficie de un catalizador. Para que ocurra la conversión, necesita tanto dióxido de carbono (el gato) como hidrógeno (el ratón). Pero necesitas crear las condiciones ideales para que el gato atrape con éxito al ratón. Si el gato no puede alcanzar el ratón, o las condiciones lo ralentizan, el gato tiene menos éxito.

Esto funciona porque el catalizador que combina dos metales no solo puede reducir los requisitos energéticos para acelerar la reacción del dióxido de carbono y el hidrógeno, pero también altera las vías de reacción para producir un producto más deseado con mayor eficiencia energética.

"Los estudios convencionales se centraron en el cobre pero que no arrojan resultados eficientes, "Dijo Song." Es lo mismo para el paladio. Pero la combinación de paladio y cobre crea una estructura de superficie única que muestra una selectividad especial para crear metanol a partir de dióxido de carbono. Este estudio proporciona los conocimientos fundamentales sobre los efectos sinérgicos del uso de estos dos metales juntos ".

Para crear metanol, Los investigadores bombearon hidrógeno y dióxido de carbono en una cámara sellada de un recipiente de reactor lleno con el catalizador y calentaron el contenido entre 356 y 482 grados Fahrenheit. La conversión máxima de dióxido de carbono a metanol es de aproximadamente 24 por ciento, sin embargo, el dióxido de carbono y el hidrógeno no convertidos se reciclarán y se devolverán al recipiente en un entorno industrial, muy parecido a lo que se hace en la síntesis de metanol convencional utilizando monóxido de carbono e hidrógeno.

El proceso de hidrogenación de dióxido de carbono funciona mediante la descomposición del agua para crear un gas hidrógeno utilizando energía renovable. que luego se une con el dióxido de carbono en la superficie del catalizador para crear metanol. Song dijo que debido a que su catalizador fomenta una alta selectividad, un mayor porcentaje de los productos se destina a la creación de metanol.

El metanol se usa para crear muchos materiales y combustibles, desde adhesivos y contrapisos de madera contrachapada hasta botellas de agua, Camisas resistentes a las arrugas y combustibles diesel. También es una sustancia química que se utiliza para fabricar anticongelantes, liquido limpiador de parabrisas, solventes y otros productos. Nuevos catalizadores para convertir el dióxido de carbono en una serie de productos químicos de utilidad industrial. combustibles y Song está desarrollando activamente materiales como los plásticos a través del Centro Conjunto Penn State-Dalian para la Investigación Energética.

Song dijo que la creación eficiente de combustibles y productos químicos industriales a partir de dióxido de carbono utilizando energía renovable se considera el santo grial para combatir el cambio climático porque los combustibles son incluso mejores que los combustibles neutrales en carbono o renovables. Básicamente, el proceso convierte los gases de efecto invernadero en combustibles que emiten dióxido de carbono cuando se queman. Este proceso, cuando se combina con la captura de dióxido de carbono del medio ambiente, equivale a reciclar dióxido de carbono en lugar de crearlo o evitarlo.

"Nuestro sistema energético actual se basa en gran medida en energías fósiles basadas en carbono, ", Dijo Song." Incluso los combustibles renovables como la biomasa, biogás y residuos orgánicos, todos están basados ​​en carbono. Pero en el futuro de donde viene el carbono? Si comenzamos a usar carbono a partir de dióxido de carbono, podemos reciclarlo, crear un ciclo energético sostenible basado en el carbono, y luego estabilizamos la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Por eso me apasiona esto ".