Imagínese tomar dióxido de carbono de los tubos de escape de los automóviles y otras fuentes y convertir este principal gas de efecto invernadero en combustibles como gas natural o propano:un sueño de sostenibilidad hecho realidad.

Varios estudios recientes han demostrado cierto éxito en esta conversión, pero un enfoque novedoso de los ingenieros de la Universidad de Stanford produce cuatro veces más etano, propano y butano que los métodos existentes que utilizan procesos similares. Aunque no es una panacea climática, el avance podría reducir significativamente el impacto a corto plazo sobre el calentamiento global.

"Uno puede imaginar un ciclo de carbono neutral que produce combustible a partir del dióxido de carbono y luego lo quema, creando nuevo dióxido de carbono que luego se convierte de nuevo en combustible, "dijo Matteo Cargnello, un profesor asistente de ingeniería química en Stanford que dirigió la investigación, publicado en Angewandte Chemie .

Aunque el proceso sigue siendo solo un prototipo de laboratorio, los investigadores esperan que pueda expandirse lo suficiente para producir cantidades utilizables de combustible. Queda mucho trabajo, sin embargo, antes de que el consumidor medio pueda comprar productos basados ​​en dichas tecnologías. Los siguientes pasos incluyen tratar de reducir los subproductos dañinos de estas reacciones, tales como el monóxido de carbono contaminante tóxico. El grupo también está desarrollando formas de fabricar otros productos beneficiosos, no solo combustibles. Uno de esos productos son las olefinas, que se pueden utilizar en una serie de aplicaciones industriales y son los ingredientes principales para los plásticos.

Dos pasos en uno

Esfuerzos anteriores para convertir CO ₂ combustible implicaba un proceso de dos pasos. El primer paso reduce el CO ₂ al monóxido de carbono, luego, el segundo combina el CO con hidrógeno para producir combustibles de hidrocarburos. El más simple de estos combustibles es el metano, pero otros combustibles que se pueden producir incluyen etano, propano y butano. El etano es un pariente cercano del gas natural y se puede utilizar industrialmente para producir etileno, un precursor de los plásticos. El propano se usa comúnmente para calentar hogares y alimentar parrillas de gas. El butano es un combustible común en encendedores y estufas de campamento.

Cargnello pensó que completar ambos pasos en una sola reacción sería mucho más eficiente, y se dispuso a crear un nuevo catalizador que pudiera eliminar simultáneamente una molécula de oxígeno del CO ₂ y combinarlo con hidrógeno. (Los catalizadores inducen reacciones químicas sin consumirse en la reacción ellos mismos). El equipo tuvo éxito al combinar nanopartículas de rutenio y óxido de hierro en un catalizador.

"Esta pepita de rutenio se encuentra en el núcleo y está encapsulada en una capa exterior de hierro, "dijo Aisulu Aitbekova, candidato a doctorado en el laboratorio de Cargnello y autor principal del artículo. "Esta estructura activa la formación de hidrocarburos a partir del CO ₂ . Mejora el proceso de principio a fin ".

El equipo no se propuso crear esta estructura core-shell, pero la descubrió a través de la colaboración con Simon Bare, distinguido científico de planta, y otros en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC. Las sofisticadas tecnologías de caracterización de rayos X de SLAC ayudaron a los investigadores a visualizar y examinar la estructura de su nuevo catalizador. Sin esta colaboración, Cargnello dijo que no habrían descubierto la estructura óptima.

"Fue entonces cuando comenzamos a diseñar este material directamente en una configuración núcleo-caparazón. Luego demostramos que una vez que hacemos eso, los rendimientos de hidrocarburos mejoran enormemente, ", Dijo Cargnello." Es algo sobre la estructura específicamente que ayuda a las reacciones ".

Cargnello cree que los dos catalizadores actúan en equipo para mejorar la síntesis. Él sospecha que el rutenio hace que el hidrógeno esté químicamente listo para unirse con el carbono del CO. ₂ . El hidrógeno luego se derrama sobre la capa de hierro, lo que hace que el dióxido de carbono sea más reactivo.

Cuando el grupo probó su catalizador en el laboratorio, encontraron que el rendimiento de combustibles como el etano, el propano y el butano era mucho más alto que su catalizador anterior. Sin embargo, el grupo aún enfrenta algunos desafíos. Quisieran reducir el uso de metales nobles como el rutenio, y optimizar el catalizador para que pueda producir selectivamente solo combustibles específicos.