Investigadores de la Universidad de Toronto Engineering han desarrollado un sistema electroquímico mejorado que aumenta el valor del CO capturado ₂ convirtiendo más que nunca en productos valiosos.

La Agencia Internacional de Energía citó recientemente la captura y almacenamiento de carbono como una de las estrategias que pueden ayudar a mantener las emisiones globales lo suficientemente bajas como para limitar el calentamiento global a 1,5 C para 2050. Pero el carbono capturado actualmente tiene poco valor económico. reduciendo el incentivo para que las empresas inviertan en esta tecnología.

Un equipo de ingeniería de la Universidad de Toronto dirigido por el profesor Ted Sargent está abordando este desafío mediante el diseño de electrolizadores avanzados que utilizan electricidad para convertir el CO capturado ₂ en los bloques de construcción petroquímicos de materiales cotidianos comunes, de plástico a lycra. Esto ayuda a crear un mercado para el carbono capturado, al mismo tiempo que proporciona una alternativa baja en carbono a los procesos de fabricación basados ​​en combustibles fósiles que se utilizan en la actualidad.

A diferencia de los sistemas anteriores, El último diseño del equipo se puede ejecutar en condiciones muy ácidas, lo que reduce las reacciones secundarias no deseadas y mejora la eficiencia general.

"En sistemas anteriores, tuviste que elegir si enfocarte en el uso eficiente de la electricidad, o uso eficiente del carbono, "dice Sargent, autor principal de un nuevo artículo publicado hoy en Ciencias . "Nuestro equipo utilizó un nuevo diseño de catalizador dentro del electrolizador para consumir una gran fracción del carbono de entrada, manteniendo una buena productividad hacia productos deseables de alto valor ".

En el electrolizador, CO capturado ₂ se disuelve en un electrolito líquido, que fluye sobre el catalizador sólido a través del cual se suministra la electricidad.

"Lo que queremos es que el CO disuelto ₂ en el reactor para absorber electrones y convertirse en etileno y otros productos, "dice el candidato a doctorado Jianan Erick Huang, uno de los tres coautores principales del nuevo artículo junto con su compañero Ph.D. el candidato Adnan Ozden y el becario postdoctoral Fengwang Li, que ahora continúa una investigación similar en la Universidad de Sydney.

"Pero, en informes anteriores que operaron a pH alto, es decir, condiciones alcalinas o neutras, la mayor parte del CO ₂ está desperdiciado, porque en su lugar se convierte en carbonato ".

Huang dice que si bien se puede extraer el carbonato, convertido en CO ₂ y devuelto al electrolizador, hacerlo es energéticamente costoso. Los cálculos del equipo muestran que más de la mitad de la energía consumida por el sistema general se gastaría en reciclar el carbonato de esta manera.

Hacer funcionar el electrolizador a pH bajo, o condiciones ácidas, previene la formación de carbonato, pero introduce un problema diferente:ahora la reacción más favorable es el desprendimiento de hidrógeno. Esto significa que los iones de hidrógeno (es decir, protones) en la solución ácida absorben electrones y se convierten en gas hidrógeno, dejando pocos electrones disponibles para combinar con CO ₂ .

Huang y el equipo abordaron este problema utilizando dos estrategias combinadas. Primero, en condiciones ácidas, aumentaron la densidad de corriente, inundando el reactor con electrones. Los iones de hidrógeno se apresuraron a reaccionar con ellos, pero quedaron atrapados en un atasco de tráfico molecular; el término técnico es limitación del transporte masivo.

"En efecto, estamos creando un reactor que es ácido en todas partes, excepto por una capa diminuta dentro de menos de 50 micrómetros de la superficie del catalizador, "dice Huang." En esa región específica, no es acido, de hecho, es ligeramente alcalino. Allí, CO ₂ pueden reducirse a etileno por esos electrones ".

El siguiente paso fue agregar un ion cargado positivamente, en este caso potasio, a la reacción. Esto creó un campo eléctrico cerca del catalizador que facilitó el CO ₂ adsorber a la superficie, dándole la ventaja en la competencia con el hidrógeno.

Los dos cambios marcaron una gran diferencia. Los sistemas anteriores solían utilizar menos del 15% del carbono disponible, perdiendo el resto al carbonato. El nuevo sistema utiliza aproximadamente el 77% del carbono disponible, más del 50% se convierte en productos de múltiples carbonos como etileno y etanol. (El otro 27% se destina a productos de un solo carbono, como el monóxido de carbono y el ácido fórmico).

"Este avance ayuda a allanar el camino hacia un futuro económicamente viable para el CO ₂ utilización incluso con alto CO ₂ capturar costos hoy, "dice el Dr. Philip Llewellyn, Gerente de Captura y Utilización de Carbono (CCUS) para TOTAL SE, que brindó apoyo financiero para la investigación. "Cuando uno considera más los aumentos proyectados en el impuesto al carbono necesarios para cumplir con los objetivos climáticos globales, esto representa una aceleración significativa en el tiempo de comercialización y el impacto del tiempo en el clima para el CO ₂ electrolizadores ".

Todavía hay obstáculos que superar antes de que este sistema se pueda escalar a un nivel industrial, incluida la estabilidad del catalizador cuando se aumenta su tamaño y la necesidad de ahorros de energía aún mayores. Todavía, Huang está orgulloso de lo que ha logrado el equipo.

"Al crear un reactor ácido en un lugar y alcalino en otro, hemos roto un límite teórico, ", dice." No tenemos que elegir entre la eficiencia del carbono y la eficiencia de los electrones:podemos optimizar ambas para obtener el mejor sistema general. Va a ser un desafío pero creo que ahora es factible ".