Primer plano de los óxidos metálicos. Crédito:Imperial College de Londres
Los investigadores han resuelto un obstáculo clave en la fabricación más ecológica, la captura de carbono, el almacenamiento de energía y la purificación de gases mediante el uso de óxidos metálicos.
Los óxidos metálicos son compuestos que juegan un papel crucial en los procesos que reducen el dióxido de carbono (CO2 ) emisiones. Estos procesos incluyen la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), la purificación y el reciclaje de gases inertes en la fabricación de paneles solares, el almacenamiento de energía termoquímica y la producción de hidrógeno para energía.
Estos procesos se basan en reacciones donde los óxidos metálicos ganan y pierden electrones, conocidas como reacciones redox. Sin embargo, el rendimiento de los óxidos metálicos se ve afectado por las reacciones redox a las altas temperaturas requeridas para la fabricación de productos químicos.
Ahora, un equipo dirigido por el Imperial College London ha desarrollado una nueva estrategia de diseño de materiales que produce óxidos metálicos a base de cobre que funcionan mejor a altas temperaturas. La tecnología ya está teniendo un impacto global en el reciclaje de argón en la fabricación de paneles solares y se espera que ayude a liberar aún más poder de las tecnologías energéticas existentes que luchan contra la crisis climática.
El autor principal, el Dr. Qilei Song, del Departamento de Ingeniería Química de Imperial, dice que "a medida que el mundo hace la transición a cero neto, necesitamos procesos industriales más innovadores para la descarbonización. Para mejorar la seguridad energética, debemos diversificar el suministro de electricidad, desde la generación de energía renovable y almacenamiento para el uso limpio de combustibles fósiles con tecnologías CCUS. Nuestros óxidos metálicos mejorados tienen un gran potencial para su uso en los procesos energéticos que nos están ayudando a alcanzar el cero neto".
El artículo se publica en Nature Communications .
Deshacer un proceso
Los óxidos metálicos son actores clave en un proceso relativamente nuevo llamado combustión química en bucle (CLC).
CLC es una forma alternativa de quemar combustibles fósiles que utiliza óxidos metálicos, como los óxidos de cobre, para transportar oxígeno del aire para que reaccione con el combustible. La reacción produce CO2 y vapor, que se condensa para permitir la captura eficiente de CO2 para evitar que entre en la atmósfera
Capturando el CO2 que se produce, CLC puede ayudar a las personas a usar los combustibles fósiles de una manera más limpia, y ya se usa en la UE, EE. UU. y China.
Sin embargo, un problema clave que ha impedido el uso de CLC a gran escala es la incapacidad de los óxidos metálicos para mantener un buen rendimiento de liberación de oxígeno durante múltiples ciclos redox a altas temperaturas.
Para resolver el problema, los investigadores examinaron las estructuras fundamentales de los óxidos metálicos utilizados en CLC, razonando que la química precursora de los óxidos metálicos no se entendía bien, lo que limitaba su diseño racional.
El coautor principal Michael High, Ph.D. candidato en el Departamento de Ingeniería Química de Imperial, dice que "para resolver la cuestión de cómo los óxidos metálicos mantienen su rendimiento, observamos los conceptos básicos de los procesos químicos involucrados en CLC. Este es un ejemplo clave de la combinación de investigación fundamental y diseño inteligente para producir una estrategia aplicable a una amplia gama de procesos de ingeniería".
Utilizaron una forma alternativa de diseñar la estructura del óxido metálico a partir de un precursor bien conocido compuesto de hidróxidos dobles en capas (LDH) de cobre, magnesio y aluminio. Al adaptar la química de los precursores de LDH, los investigadores descubrieron que podían producir óxidos metálicos que aún podían funcionar bien a temperaturas notablemente altas. Lo demostraron sometiendo los óxidos a 100 ciclos químicos en un tipo de reactor ampliamente utilizado, conocido como reactor de lecho fluidizado, durante 65 horas.
Su mayor capacidad para soportar el calor significa que los óxidos metálicos producidos de esta manera pueden usarse para liberar más energía de la purificación y el reciclaje de gases inertes como el argón en la fabricación de paneles solares, la captura y el almacenamiento de carbono, el almacenamiento de energía química y la producción de hidrógeno limpio. Para demostrarlo, los investigadores ampliaron la producción de óxidos metálicos para su uso en reactores de lecho fluidizado. Descubrieron que la creación de estos materiales es simple y fácilmente adecuada para mejorar utilizando los métodos de fabricación industrial existentes.
El autor principal, el profesor Paul Fennell, también del Departamento de Ingeniería Química, dice que "el mundo debe alcanzar cero emisiones netas de carbono para 2050. Las energías renovables se están desarrollando rápidamente, pero a corto plazo necesitamos desarrollar tecnologías rentables de captura de carbono que se puede aplicar para descarbonizar la industria. Nuestro trabajo ayudará a resolver este desafío global".
A continuación, los investigadores estudiarán la estabilidad a largo plazo de los materiales durante la combustión de diferentes tipos de combustibles, explorarán nuevas aplicaciones para el almacenamiento de energía termoquímica y ampliarán el enfoque a otros sistemas de óxido metálico para producir hidrógeno limpio a través de ciclos redox termoquímicos. El equipo crea un mapa para la producción de metales ecológicos
