Modelo de bola y palo de dióxido de carbono. Crédito:Wikipedia
Imagínese un día en el que, en lugar de arrojarse a la atmósfera, los gases provenientes de las centrales eléctricas y la industria pesada se capturan y se alimentan a reactores catalíticos que transforman químicamente los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono en combustibles industriales o productos químicos y que solo emiten oxígeno.
Es un futuro que Haotian Wang dice que puede estar más cerca de lo que muchos creen.
Miembro del Rowland Institute de Harvard, Wang y sus colegas han desarrollado un sistema mejorado para utilizar electricidad renovable para reducir el dióxido de carbono en monóxido de carbono, un producto clave utilizado en varios procesos industriales. El sistema se describe en un artículo del 8 de noviembre publicado en Joule , una revista hermana recién lanzada de Cell Press.
"La idea más prometedora puede ser conectar estos dispositivos con centrales eléctricas de carbón u otra industria que produzca una gran cantidad de CO 2 , "Dijo Wang." Alrededor del 20 por ciento de esos gases son CO 2 , así que si puedes bombearlos a esta celda ... y combinarlos con electricidad limpia, entonces podemos producir productos químicos útiles a partir de estos desechos de una manera sostenible, e incluso cerrar parte de ese CO 2 ciclo."
El nuevo sistema, Wang dijo:representa un avance dramático desde el que él y sus colegas describieron por primera vez en un artículo de 2017 en Chem.
Donde ese viejo sistema era apenas del tamaño de un teléfono celular y dependía de dos cámaras llenas de electrolitos, cada uno de los cuales sostenía un electrodo, el nuevo sistema es más económico y se basa en altas concentraciones de CO 2 gas y vapor de agua para operar de manera más eficiente:solo una celda de 10 por 10 centímetros, Wang dijo:puede producir hasta cuatro litros de CO por hora.
El nuevo sistema, Wang dijo:aborda los dos desafíos principales, costo y escalabilidad, que se consideraron como una limitación del enfoque inicial.
"En ese trabajo anterior, habíamos descubierto los catalizadores de un solo átomo de níquel que son muy selectivos para reducir el CO 2 a CO ... pero uno de los desafíos que enfrentamos fue que los materiales eran costosos de sintetizar, "Dijo Wang." El soporte que estábamos usando para anclar átomos de níquel individuales se basaba en grafeno, lo que dificultaba mucho la ampliación si se deseaba producirlo a escala de gramos o incluso de kilogramos para uso práctico en el futuro ".
Para abordar ese problema, él dijo, su equipo recurrió a un producto comercial que es miles de veces más barato que el grafeno como soporte alternativo:el negro de humo.
Usando un proceso similar a la atracción electrostática, Wang y sus colegas pueden absorber átomos de níquel individuales (cargados positivamente) en defectos (cargados negativamente) en nanopartículas de negro de humo, con el material resultante siendo a la vez de bajo costo y altamente selectivo para CO 2 reducción.
"Ahora, lo mejor que podemos producir son gramos, pero anteriormente solo podíamos producir miligramos por lote, "Dijo Wang." Pero esto sólo está limitado por el equipo de síntesis que tenemos; si tuvieras un tanque más grande, podría producir kilogramos o incluso toneladas de este catalizador ".
El otro desafío que Wang y sus colegas tuvieron que superar estaba relacionado con el hecho de que el sistema original solo funcionaba en una solución líquida.
El sistema inicial funcionó mediante el uso de un electrodo en una cámara para dividir las moléculas de agua en oxígeno y protones. Mientras el oxígeno burbujeaba, los protones conducidos a través de la solución líquida se moverían a la segunda cámara, donde, con la ayuda del catalizador de níquel, se unirían con CO 2 y romper la molécula, dejando CO y agua. Esa agua podría volver a introducirse en la primera cámara, donde volvería a dividirse, y el proceso comenzaría de nuevo.
"El problema era que El co 2 en ese sistema podemos reducir solo los disueltos en agua; la mayoría de las moléculas que rodean el catalizador eran agua, ", dijo." Sólo había una pequeña cantidad de CO 2 , por lo que fue bastante ineficiente ".
Si bien puede resultar tentador simplemente aumentar el voltaje aplicado al catalizador para aumentar la velocidad de reacción, que puede tener la consecuencia no deseada de dividir el agua, no reduce el CO 2 , Dijo Wang.
"Si agota el CO 2 que está cerca del electrodo, otras moléculas tienen que difundirse al electrodo, y eso lleva tiempo, "Dijo Wang." Pero si estás aumentando el voltaje, es más probable que el agua circundante aproveche la oportunidad para reaccionar y dividirse en hidrógeno y oxígeno ".
La solución resultó ser relativamente simple:evitar que el agua se parta, el equipo sacó el catalizador de la solución.
"Reemplazamos ese agua líquida con vapor de agua, y alimentar en CO de alta concentración 2 gas, ", dijo." Entonces, si el sistema antiguo tenía más del 99 por ciento de agua y menos del 1 por ciento de CO 2 , ahora podemos revertir eso por completo, y bombear 97 por ciento de CO 2 gas y sólo un 3 por ciento de vapor de agua en este sistema. Antes de que el agua líquida también funcione como conductores de iones en el sistema, y ahora usamos membranas de intercambio iónico para ayudar a que los iones se muevan sin agua líquida.
"El impacto es que podemos ofrecer una densidad de corriente de un orden de magnitud mayor, ", continuó." Anteriormente, estábamos operando a unos diez miliamperios por centímetro cuadrado, pero hoy podemos aumentar fácilmente hasta 100 miliamperios ".
Avanzando, Wang dijo:el sistema aún tiene desafíos que superar, en particular los relacionados con la estabilidad.
"Si desea utilizar esto para generar un impacto económico o ambiental, necesita tener un funcionamiento continuo de miles de horas, ", dijo." Ahora mismo, podemos hacer esto durante decenas de horas, entonces todavía hay una gran brecha, pero creo que esos problemas se pueden abordar con un análisis más detallado tanto de la CO 2 catalizador de reducción y catalizador de oxidación de agua ".
Por último, Wang dijo:puede llegar el día en que la industria pueda capturar el CO 2 que ahora se libera a la atmósfera y la transforma en productos útiles.
"El monóxido de carbono no es un producto químico de alto valor, "Dijo Wang." Para explorar más posibilidades, mi grupo también ha desarrollado varios catalizadores a base de cobre que pueden reducir aún más el CO 2 en productos que son mucho más valiosos ".
Wang atribuyó la libertad que disfrutaba en el Instituto Rowland por ayudar a conducir a avances como el nuevo sistema.
"Rowland me ha proporcionado, como investigador de carrera temprana, una gran plataforma para la investigación independiente, que inicia una gran parte de las direcciones de investigación que mi grupo seguirá impulsando, "dijo Wang, quien recientemente aceptó un puesto en la Universidad de Rice. "Definitivamente extrañaré mis días aquí".
