Representación artística de un electrodo a base de níquel como bomba de combustible averiada y de un electrodo a base de cerio como nuevo, bomba productiva. Crédito:Cube3D
Si la idea de volar en aviones comerciales a batería le pone nervioso, puedes relajarte un poco. Los investigadores han descubierto un punto de partida práctico para convertir el dióxido de carbono en combustibles líquidos sostenibles. incluyendo combustibles para medios de transporte más pesados que pueden resultar muy difíciles de electrificar, como aviones, barcos y trenes de mercancías.
Reutilización de CO2 neutro en carbono 2 ha surgido como una alternativa para enterrar el gas de efecto invernadero bajo tierra. En un nuevo estudio publicado hoy en Energía de la naturaleza , Investigadores de la Universidad de Stanford y la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) muestran cómo la electricidad y un catalizador abundante en la Tierra pueden convertir el CO 2 en monóxido de carbono (CO) rico en energía mejor que los métodos convencionales. El catalizador, el óxido de cerio, es mucho más resistente a la degradación. Eliminando el oxígeno del CO 2 hacer CO gas es el primer paso para convertir CO 2 en casi cualquier combustible líquido y otros productos, como gas sintético y plásticos. La adición de hidrógeno al CO puede producir combustibles como el diesel sintético y el equivalente al combustible para aviones. El equipo prevé el uso de energía renovable para producir el CO y para las conversiones posteriores, lo que daría lugar a productos neutros en carbono.
"Demostramos que podemos usar la electricidad para reducir el CO 2 en CO con una selectividad del 100 por ciento y sin producir el subproducto no deseado de carbono sólido, "dijo William Chueh, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, uno de los tres autores principales del artículo.
Chueh, consciente de la investigación de DTU en esta área, invitó a Christopher Graves, profesor asociado en el Departamento de Conversión y Almacenamiento de Energía de DTU, y Theis Skafte, un candidato a doctorado de DTU en ese momento, para venir a Stanford y trabajar juntos en la tecnología.
"Habíamos estado trabajando en CO a alta temperatura 2 electrólisis durante años, pero la colaboración con Stanford fue la clave de este gran avance, "dijo Skafte, autor principal del estudio, quien ahora es investigador postdoctoral en DTU. "Logramos algo que no podíamos lograr por separado:comprensión fundamental y demostración práctica de un material más sólido".
Barreras para la conversión
Una ventaja que podrían tener los combustibles líquidos sostenibles sobre la electrificación del transporte es que podrían utilizar la infraestructura existente de gasolina y diésel. como motores, oleoductos y gasolineras. Adicionalmente, las barreras para electrificar aviones y barcos (viajes de larga distancia y el alto peso de las baterías) no serían un problema para las personas con gran densidad de energía combustibles neutros en carbono.
Desde la izquierda:Christopher Graves, Michal Bajdich y Michael Machala frente a la máquina de deposición láser pulsada que Machala usó para fabricar los electrodos. Crédito:Mark Golden
Aunque las plantas reducen el CO 2 a azúcares ricos en carbono de forma natural, todavía no se ha comercializado ampliamente una ruta electroquímica artificial al CO. Entre los problemas:los dispositivos consumen demasiada electricidad, convertir un porcentaje bajo de CO 2 moléculas, o producir carbono puro que destruya el dispositivo. Los investigadores del nuevo estudio examinaron primero cómo diferentes dispositivos tuvieron éxito y fallaron en CO 2 electrólisis.
Con conocimientos adquiridos, los investigadores construyeron dos celdas para CO 2 ensayo de conversión:uno con óxido de cerio y el otro con catalizadores convencionales a base de níquel. El electrodo de ceria permaneció estable, mientras que los depósitos de carbón dañaron el electrodo de níquel, acortando significativamente la vida útil del catalizador.
"Esta notable capacidad de la ceria tiene importantes implicaciones para la vida útil práctica del CO 2 dispositivos electrolizadores, "dijo Graves de DTU, autor principal del estudio y académico visitante en Stanford en ese momento. "Reemplazar el electrodo de níquel actual con nuestro nuevo electrodo de ceria en el electrolizador de próxima generación mejoraría la vida útil del dispositivo".
Camino a la comercialización
La eliminación de la muerte celular temprana podría reducir significativamente el costo de producción comercial de CO. La supresión de la acumulación de carbono también permite que el nuevo tipo de dispositivo convierta más CO 2 para co, que se limita a una concentración de producto de CO muy por debajo del 50 por ciento en las células actuales. Esto también podría reducir los costos de producción.
"El mecanismo de supresión de carbono en la ceria se basa en atrapar el carbono en forma oxidada estable. Pudimos explicar este comportamiento con modelos computacionales de CO 2 reducción a temperatura elevada, que luego se confirmó con espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de la celda en funcionamiento, "dijo Michal Bajdich, autor principal del artículo y científico asociado del Centro SUNCAT para la ciencia y la catálisis de la interfaz, una asociación entre el SLAC National Accelerator Laboratory y la Escuela de Ingeniería de Stanford.
El alto costo de capturar CO 2 ha sido una barrera para secuestrarlo bajo tierra a gran escala, y ese alto costo podría ser una barrera para el uso de CO 2 para fabricar combustibles y productos químicos más sostenibles. Sin embargo, el valor de mercado de esos productos combinado con los pagos para evitar las emisiones de carbono podría ayudar a las tecnologías que utilizan CO 2 supere el obstáculo del costo más rápidamente.
Los investigadores esperan que su trabajo inicial para revelar los mecanismos en el CO 2 Los dispositivos de electrólisis por espectroscopia y modelado ayudarán a otros a ajustar las propiedades de la superficie de la ceria y otros óxidos para mejorar aún más el CO 2 electrólisis.
