Las pilas de combustible convierten los productos químicos en electricidad. Ahora, un equipo de ingeniería de la Universidad de Toronto ha adaptado la tecnología de las celdas de combustible para hacer lo contrario:aprovechar la electricidad para fabricar sustancias químicas valiosas a partir del carbono residual (CO ₂ ).

"Por décadas, investigadores talentosos han estado desarrollando sistemas que convierten la electricidad en hidrógeno y viceversa, "dice el profesor Ted Sargent, uno de los autores principales del artículo publicado en Ciencias . "Nuestra innovación se basa en ese legado, pero al usar moléculas basadas en carbono, podemos conectarnos directamente a la infraestructura de hidrocarburos existente ".

En una pila de combustible de hidrógeno, el hidrógeno y el oxígeno se unen en la superficie de un catalizador. La reacción química libera electrones, que son capturados por materiales especializados dentro de la celda de combustible y bombeados a un circuito.

Lo opuesto a una pila de combustible es un electolizador, que usa electricidad para impulsar una reacción química. Los autores del artículo son expertos en el diseño de electrolizadores que convierten el CO ₂ en otras moléculas basadas en carbono, como el etileno. El equipo incluye Ph.D. candidato Adnan Ozden, quien es supervisado por el profesor David Sinton, así como varios miembros del equipo de Sargent, incluyendo Ph.D. candidato Joshua Wicks, becario postdoctoral F. Pelayo García de Arquer y ex becario postdoctoral Cao-Thang Dinh.

"El etileno es uno de los productos químicos más producidos en el mundo, "dice Wicks." Se utiliza para hacer de todo, desde anticongelante hasta muebles de jardín. Hoy se deriva de combustibles fósiles, pero si pudiéramos hacerlo mejorando el CO residual ₂ , proporcionaría un nuevo incentivo económico para capturar carbono ".

Los electrolizadores actuales aún no producen etileno en una escala lo suficientemente grande como para competir con lo que se deriva de los combustibles fósiles. Parte del desafío radica en la naturaleza única de la reacción química que transforma el CO ₂ en etileno y otras moléculas a base de carbono.

"La reacción requiere tres cosas:CO ₂ , que es un gas; iones de hidrógeno, que provienen de agua líquida; y electrones, que se transmiten a través de un catalizador metálico, "dice Ozden." Traer esas tres fases diferentes, especialmente el CO ₂ - juntos rápidamente es un desafío, y eso es lo que ha limitado la velocidad de la reacción ".

En su último diseño de electrolizador, el equipo utilizó una disposición única de materiales para superar los desafíos de unir los reactivos. Los electrones se entregan utilizando un catalizador a base de cobre que el equipo había desarrollado previamente. Pero en lugar de una hoja plana de metal, el catalizador en el nuevo electrolizador está en forma de pequeñas partículas incrustadas dentro de una capa de un material conocido como Nafion.

El nafión es un ionómero, un polímero que puede conducir partículas cargadas conocidas como iones. Hoy dia, se utiliza comúnmente en pilas de combustible, donde su función es transportar iones de hidrógeno (H +) cargados positivamente dentro del reactor.

"En nuestros experimentos, Descubrimos que una determinada disposición de Nafion puede facilitar el transporte de gases como el CO ₂ , ", dice García de Arquer." Nuestro diseño permite que los reactivos gaseosos alcancen la superficie del catalizador con la suficiente rapidez y distribución suficiente para aumentar significativamente la velocidad de reacción ".

Dado que la reacción ya no está limitada por la rapidez con la que los tres reactivos pueden unirse, el equipo pudo transformar CO ₂ en etileno y otros productos 10 veces más rápido que antes. Lo lograron sin reducir la eficiencia general del reactor, lo que significa más producto por aproximadamente el mismo costo de capital.

A pesar del avance, el dispositivo sigue estando muy lejos de la viabilidad comercial. Uno de los principales desafíos pendientes tiene que ver con la estabilidad del catalizador bajo las nuevas densidades de corriente más altas.

"Podemos bombear electrones 10 veces más rápido, Lo cual es genial, pero solo podemos operar el sistema durante unas diez horas antes de que la capa de catalizador se descomponga, ", dice Dinh." Esto todavía está lejos del objetivo de miles de horas que se necesitarían para la aplicación industrial ".

Dinh, que ahora es profesor de ingeniería química en Queen's University, continúa el trabajo buscando nuevas estrategias para estabilizar la capa de catalizador, como modificar aún más la estructura química del Nafion o agregar capas adicionales para protegerlo.

Los otros miembros del equipo planean trabajar en diferentes desafíos, como optimizar el catalizador para producir otros productos comercialmente valiosos más allá del etileno.

"Elegimos el etileno como ejemplo, pero los principios aquí se pueden aplicar a la síntesis de otras sustancias químicas valiosas, incluido el etanol ", dice Wicks." Además de sus muchos usos industriales, el etanol también se usa ampliamente como combustible ".

La capacidad de producir combustibles. Los materiales de construcción y otros productos de forma neutra en carbono es un paso importante hacia la reducción de nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

"Incluso si dejamos de usar petróleo para obtener energía, todavía vamos a necesitar todas estas moléculas, "dice García de Arquer." Si podemos producirlos utilizando residuos de CO ₂ y energías renovables, podemos tener un impacto importante en términos de descarbonización de nuestra economía ".