Los tintes se utilizan para revelar los niveles de concentración de dióxido de carbono en el agua. En el lado izquierdo hay un material que atrae gases, y el tinte muestra que el dióxido de carbono permanece concentrado junto al catalizador. Crédito:Grupo de Investigación de Varanasi
Los sistemas para capturar y convertir el dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas podrían ser herramientas importantes para frenar el cambio climático. pero la mayoría son relativamente ineficientes y costosas. Ahora, Los investigadores del MIT han desarrollado un método que podría mejorar significativamente el rendimiento de los sistemas que utilizan superficies catalíticas para mejorar las tasas de reacciones electroquímicas de secuestro de carbono.
Estos sistemas catalíticos son una opción atractiva para la captura de carbono porque pueden producir útiles, productos valiosos, como combustibles de transporte o materias primas químicas. Este resultado puede ayudar a subsidiar el proceso, compensar los costos de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
En estos sistemas, típicamente, una corriente de gas que contiene dióxido de carbono pasa a través del agua para entregar dióxido de carbono para la reacción electroquímica. El movimiento a través del agua es lento, que ralentiza la tasa de conversión del dióxido de carbono. El nuevo diseño asegura que la corriente de dióxido de carbono permanezca concentrada en el agua justo al lado de la superficie del catalizador. Esta concentración, los investigadores han demostrado, casi puede duplicar el rendimiento del sistema.
Los resultados se describen hoy en la revista. Informes celulares Ciencias físicas en un artículo del postdoctorado del MIT Sami Khan Ph.D. '19, que ahora es profesor asistente en la Universidad Simon Fraser, junto con los profesores de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi y Yang Shao-Horn, y el recién graduado Jonathan Hwang Ph.D. '19.
"El secuestro de dióxido de carbono es el desafío de nuestro tiempo, ", Dice Varanasi. Hay varios enfoques, incluido el secuestro geológico, almacenamiento oceánico, mineralización, y conversión química. Cuando se trata de hacer útiles, productos vendibles de este gas de efecto invernadero, la conversión electroquímica es particularmente prometedora, pero aún necesita mejoras para ser económicamente viable. "El objetivo de nuestro trabajo era comprender cuál es el gran cuello de botella en este proceso, y para mejorar o mitigar ese cuello de botella, " él dice.
A la izquierda, una burbuja golpea una superficie que atrae gas con una textura especial, y se extiende por la superficie, mientras que a la derecha, una burbuja golpea una superficie no tratada y simplemente rebota. La superficie tratada se utiliza en el nuevo trabajo para mantener el dióxido de carbono cerca de un catalizador. Crédito:Grupo de Investigación de Varanasi
El cuello de botella resultó involucrar la entrega del dióxido de carbono a la superficie catalítica que promueve las transformaciones químicas deseadas, los investigadores encontraron. En estos sistemas electroquímicos, la corriente de gases que contienen dióxido de carbono se mezcla con agua, ya sea a presión o haciéndolo burbujear a través de un recipiente equipado con electrodos de un material catalizador como el cobre. Luego se aplica un voltaje para promover reacciones químicas que producen compuestos de carbono que pueden transformarse en combustibles u otros productos.
Hay dos desafíos en tales sistemas:la reacción puede avanzar tan rápido que consume el suministro de dióxido de carbono que llega al catalizador más rápidamente de lo que se puede reponer; y si eso pasa una reacción competitiva, la división del agua en hidrógeno y oxígeno, puede tomar el control y minar gran parte de la energía que se pone en la reacción.
Los esfuerzos anteriores para optimizar estas reacciones texturizando las superficies del catalizador para aumentar el área de superficie para las reacciones no habían cumplido con sus expectativas. debido a que el suministro de dióxido de carbono a la superficie no pudo mantenerse al día con el aumento de la velocidad de reacción, cambiando así a la producción de hidrógeno con el tiempo.
Los investigadores abordaron estos problemas mediante el uso de una superficie atrayente de gas colocada muy cerca del material catalizador. Este material tiene una textura especial "gásfila, "material superhidrofóbico que repele el agua pero permite que una capa suave de gas llamada plastrón permanezca cerca a lo largo de su superficie. Mantiene el flujo entrante de dióxido de carbono justo contra el catalizador para maximizar las reacciones de conversión de dióxido de carbono deseadas. Al usar indicadores de pH a base de colorantes, los investigadores pudieron visualizar gradientes de concentración de dióxido de carbono en la celda de prueba y mostrar que la concentración mejorada de dióxido de carbono emana del plastrón.
En una serie de experimentos de laboratorio con esta configuración, la velocidad de la reacción de conversión de carbono casi se duplicó. También se mantuvo en el tiempo, mientras que en experimentos anteriores la reacción se desvaneció rápidamente. El sistema produjo altas tasas de etileno, propanol, y etanol, un combustible automotriz potencial. Mientras tanto, el desprendimiento de hidrógeno en competencia se redujo drásticamente. Aunque el nuevo trabajo permite ajustar el sistema para producir la mezcla deseada de producto, en algunas aplicaciones, optimizar la producción de hidrógeno como combustible podría ser el resultado deseado, que también se puede hacer.
Aquí, Los tintes se utilizan para revelar los niveles de concentración de dióxido de carbono en el agua. El verde muestra las áreas donde el dióxido de carbono está más concentrado, y el azul muestra las áreas donde está agotado. La región verde de la izquierda muestra que el dióxido de carbono permanece concentrado junto al catalizador, gracias al material atrayente de gases. Crédito:Grupo de Investigación de Varanasi
"La métrica importante es la selectividad, "Khan dice, refiriéndose a la capacidad de generar compuestos valiosos que serán producidos por una mezcla dada de materiales, texturas y voltajes, y ajustar la configuración de acuerdo con la salida deseada.
Al concentrar el dióxido de carbono junto a la superficie del catalizador, el nuevo sistema también produjo dos nuevos compuestos de carbono potencialmente útiles, acetona, y acetato, que no se había detectado previamente en ninguno de estos sistemas electroquímicos a tasas apreciables.
En este trabajo inicial de laboratorio, una sola tira de hidrofóbico, El material que atrae los gases se colocó junto a un solo electrodo de cobre, pero en un trabajo futuro se podría hacer un dispositivo práctico utilizando un conjunto denso de pares de placas intercaladas, Sugiere Varanasi.
En comparación con trabajos anteriores sobre reducción electroquímica de carbono con catalizadores de nanoestructura, Varanasi dice:"superamos significativamente a todos ellos, porque aunque es el mismo catalizador, es la forma en que entregamos el dióxido de carbono lo que cambia el juego ".
