El calentamiento global sigue planteando una amenaza para la sociedad humana y los sistemas ecológicos, y el dióxido de carbono representa la mayor proporción de los gases de efecto invernadero que dominan el calentamiento climático.
Para combatir el cambio climático y avanzar hacia el objetivo de la neutralidad de carbono, investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU) han desarrollado un dióxido de carbono (CO2) duradero, altamente selectivo y energéticamente eficiente. ) sistema de electrorreducción que puede convertir CO2 en etileno para fines industriales para proporcionar una solución eficaz para reducir el CO2 emisiones.
La investigación fue publicada en Nature Energy y ganó una Medalla de Oro en la 48ª Exposición Internacional de Invenciones de Ginebra en Suiza.
Etileno (C2 H4 ) es uno de los químicos más demandados a nivel mundial y se utiliza principalmente en la fabricación de polímeros como el polietileno, que, a su vez, puede usarse para fabricar plásticos y fibras químicas comúnmente utilizadas en la vida diaria. Sin embargo, todavía se obtiene en su mayor parte de fuentes petroquímicas y el proceso de producción implica la creación de una huella de carbono muy significativa.
Dirigido por el Prof. Daniel Lau, Catedrático de Nanomateriales y Jefe del Departamento de Física Aplicada, el equipo de investigación adoptó el método de CO2 electrocatalítico. reducción:utilizar electricidad verde para convertir el dióxido de carbono en etileno, proporcionando una alternativa más respetuosa con el medio ambiente y una producción estable de etileno.
El equipo de investigación está trabajando para promover esta tecnología emergente para acercarla a la producción en masa, cerrar el ciclo del carbono y, en última instancia, lograr la neutralidad de carbono.
La innovación del profesor Lau es prescindir del electrolito de metal alcalino y utilizar agua pura como anolito libre de metales para evitar la formación de carbonatos y la deposición de sales. El equipo de investigación llama a su diseño sistema APMA, donde A significa membrana de intercambio aniónico (AEM), P representa la membrana de intercambio de protones (PEM) y MA indica el conjunto de membrana resultante.
Cuando se construyó una pila de celdas sin metales alcalinos que contenía APMA y un electrocatalizador de cobre, se produjo etileno con una alta especificidad del 50%. También pudo funcionar durante más de 1000 horas con una corriente de nivel industrial de 10 A, lo que supone un aumento muy significativo de la vida útil con respecto a los sistemas existentes, lo que significa que el sistema se puede ampliar fácilmente a una escala industrial.
Otras pruebas demostraron que se suprimió la formación de carbonatos y sales, mientras que no hubo pérdida de CO2 o electrolito. Esto es crucial, ya que las células anteriores que usaban membranas bipolares en lugar de APMA sufrieron una pérdida de electrolitos debido a la difusión de iones de metales alcalinos del anolito. También se minimizó la formación de hidrógeno en competencia con el etileno, otro problema que afectaba a sistemas anteriores que utilizaban entornos catódicos ácidos.
Otra característica clave del proceso es el electrocatalizador especializado. El cobre se utiliza para catalizar una amplia gama de reacciones en la industria química. Sin embargo, el catalizador específico utilizado por el equipo de investigación aprovechó algunas características distintivas.
Los millones de esferas de cobre a nanoescala tenían superficies ricamente texturizadas, con escalones, fallas de apilamiento y límites de grano. Estos "defectos" (en relación con una estructura metálica ideal) proporcionaron un entorno favorable para que se produjera la reacción.
El profesor Lau dijo:"Trabajaremos en nuevas mejoras para mejorar la selectividad del producto y buscaremos oportunidades de colaboración con la industria. Está claro que este diseño de celda APMA sustenta una transición hacia la producción verde de etileno y otros químicos valiosos y puede contribuir a reducir las emisiones de carbono y lograr el objetivo de la neutralidad de carbono."
Más información: Xiaojie She et al, Reducción electrocatalítica de CO2 alimentada con agua pura a etileno más allá de 1000 h de estabilidad a 10 A, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01415-4
Información de la revista: Energía de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Politécnica de Hong Kong
