Investigadores de U of T Engineering y Caltech han diseñado un sistema nuevo y mejorado para convertir CO2 de manera eficiente, agua, y energía renovable en etileno, el precursor de una amplia gama de productos plásticos, desde dispositivos médicos hasta tejidos sintéticos, en condiciones neutrales. El dispositivo tiene el potencial de ofrecer una vía neutra en carbono hacia un producto químico de uso común, al tiempo que mejora el almacenamiento de residuos de carbono y el exceso de energía renovable.

"El CO2 tiene un valor económico bajo, lo que reduce el incentivo para capturarlo antes de que entre a la atmósfera, "dice el profesor Ted Sargent, el líder de ingeniería de la U of T en el proyecto. "Convertirlo en etileno, uno de los productos químicos industriales más utilizados en el mundo, transforma la economía. El etileno renovable proporciona una ruta para desplazar los combustibles fósiles que actualmente son la materia prima principal de esta sustancia química ".

El año pasado, Sargent y su equipo publicaron un artículo en Science que describe cómo usaron un electrolizador, un dispositivo que usa electricidad para impulsar una reacción química, para convertir CO2 en etileno con una eficiencia récord. En este sistema, los tres reactivos, Gas CO2, agua y electricidad, todos se juntan en la superficie de un catalizador a base de cobre.

Aunque el dispositivo fue un gran avance para el equipo, todavía había margen de mejora. La última versión, descrito en un artículo publicado hoy en Naturaleza , modifica aún más el catalizador para mejorar el rendimiento del sistema y reducir su costo operativo.

"Uno de los desafíos de esta reacción es que, si bien parte del CO2 se convierte en etileno, la mayor parte se convierte en productos secundarios, especialmente carbonato, que se disuelve en el lado líquido del electrolizador, "dice el becario postdoctoral Fengwang Li, autor principal del nuevo artículo. "Esta pérdida no deseada aumenta el costo de la consiguiente separación y purificación del producto".

En el último trabajo, El equipo de Sargent se asoció con los profesores de química de Caltech Jonas C. Peters y Theodor Agapie. Su investigación publicada sobre una clase de moléculas conocidas como arilpiridinios sugirió que agregarlas al catalizador podría favorecer la producción de etileno sobre otros productos secundarios.

Usando cálculos teóricos y experimentos, los dos equipos examinaron más de una docena de tipos diferentes de arilpiridinios antes de seleccionar uno. Bastante seguro, la adición de una capa delgada de esta molécula a la superficie del catalizador de cobre aumentó significativamente la selectividad de la reacción por el etileno. También condujo a otro beneficio:reducir el pH de la reacción de trabajo de básico a neutro.

"El sistema anterior requería que el lado del agua de la reacción tuviera un pH alto, condiciones muy básicas, "dice Li." Pero la reacción del CO2 con la sosa cáustica en el agua reduce el pH, por lo que habríamos tenido que agregar continuamente productos químicos para mantener el pH alto. El nuevo sistema funciona igual de bien en condiciones neutrales, para que podamos eliminar ese costo adicional, así como la pérdida de CO2 en forma de carbonato ".

El catalizador mejorado también duró más que la versión anterior, permaneciendo estable durante casi 200 horas de funcionamiento. Otra mejora —aumentar el área de la superficie del catalizador en un factor de cinco— les dio a los equipos una idea de los desafíos que deberán superarse para poder escalar la producción a niveles industriales.

Si bien el prototipo aún está muy lejos de su comercialización, el concepto general ofrece una forma prometedora de abordar varios desafíos clave en sostenibilidad. Elimina la necesidad de extraer más aceite para fabricar plásticos y otros bienes de consumo a base de etileno. y convierte el CO2 residual en materia prima, agregando un nuevo incentivo para invertir en la captura de carbono.

Li también señala que dicho sistema podría funcionar con fuentes renovables intermitentes, como la energía eólica o solar. En la actualidad, A menudo existe un desajuste entre la cantidad de electricidad producida por estos sistemas y la demanda de los consumidores. Al almacenar el exceso de electricidad en forma de etileno, el sistema ofrece una forma de suavizar esos picos y valles.

"Lo bueno de este sistema de conversión de CO2 a etileno es que no es necesario elegir entre capturar y reciclar las emisiones de CO2 en lugar de tratar de evitar que ocurran en primer lugar mediante el desplazamiento de los combustibles fósiles usados, ", dice Li." Podemos hacer ambas cosas al mismo tiempo ".