Este esquema muestra el electrolizador desarrollado en la Universidad de Rice para reducir el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, a combustibles valiosos. A la izquierda hay un catalizador que selecciona el dióxido de carbono y lo reduce a un formato cargado negativamente, que se tira a través de una capa de difusión de gas (GDL) y la membrana de intercambio aniónico (AEM) hacia el electrolito central. A la derecha, un catalizador de reacción de evolución de oxígeno (REA) genera protones positivos a partir del agua y los envía a través de la membrana de intercambio catiónico (CEM). Los iones se recombinan en ácido fórmico u otros productos que se extraen del sistema mediante agua desionizada (DI) y gas. Crédito:Chuan Xia y Demin Liu / Rice University
Un gas de efecto invernadero común podría reutilizarse de una manera eficiente y respetuosa con el medio ambiente con un electrolizador que utiliza electricidad renovable para producir combustibles líquidos puros.
El reactor catalítico desarrollado por el laboratorio de la Universidad de Rice del ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang utiliza dióxido de carbono como materia prima y, en su último prototipo, produce altas concentraciones de ácido fórmico altamente purificado.
El ácido fórmico producido por los dispositivos tradicionales de dióxido de carbono necesita pasos de purificación costosos y que consumen mucha energía. Dijo Wang. La producción directa de soluciones de ácido fórmico puro ayudará a promover tecnologías comerciales de conversión de dióxido de carbono.
El método se detalla en Energía de la naturaleza .
Wang, que se unió a la Escuela de Ingeniería Brown de Rice en enero, y su grupo buscan tecnologías que conviertan los gases de efecto invernadero en productos útiles. En pruebas, el nuevo electrocatalizador alcanzó una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente el 42%. Eso significa que casi la mitad de la energía eléctrica se puede almacenar en ácido fórmico como combustible líquido.
"El ácido fórmico es un portador de energía, ", Dijo Wang." Es un combustible de pila de combustible que puede generar electricidad y emitir dióxido de carbono, que se puede tomar y reciclar de nuevo.
"También es fundamental en la industria de la ingeniería química como materia prima para otros productos químicos, y un material de almacenamiento de hidrógeno que puede contener casi 1, 000 veces la energía del mismo volumen de gas hidrógeno, que es difícil de comprimir, ", dijo." Eso es actualmente un gran desafío para los coches de pila de combustible de hidrógeno ".
El ingeniero de la Universidad de Rice, Haotian Wang, ajusta el reactor de electrocatálisis construido en su laboratorio para reciclar dióxido de carbono y producir combustible líquido. El reactor está diseñado para ser una forma eficiente y rentable de reutilizar el gas de efecto invernadero y mantenerlo fuera de la atmósfera. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Dos avances hicieron posible el nuevo dispositivo, dijo el autor principal e investigador postdoctoral de Rice, Chuan Xia. El primero fue su desarrollo de un robusto, catalizador de bismuto bidimensional y el segundo un electrolito de estado sólido que elimina la necesidad de sal como parte de la reacción.
"El bismuto es un átomo muy pesado, en comparación con metales de transición como el cobre, hierro o cobalto, ", Dijo Wang." Su movilidad es mucho menor, particularmente en condiciones de reacción. Eso estabiliza el catalizador ". Señaló que el reactor está estructurado para evitar que el agua entre en contacto con el catalizador, que también ayuda a preservarlo.
Xia puede fabricar nanomateriales a granel. "En la actualidad, las personas producen catalizadores en escalas de miligramos o gramos, ", dijo." Desarrollamos una forma de producirlos en la escala de kilogramos. Eso facilitará la ampliación de nuestro proceso para la industria ".
El electrolito sólido a base de polímero se recubre con ligandos de ácido sulfónico para conducir cargas positivas o grupos funcionales amino para conducir iones negativos. "Por lo general, las personas reducen el dióxido de carbono en un electrolito líquido tradicional como el agua salada, "Dijo Wang." Quieres que se conduzca la electricidad, pero el electrolito de agua pura es demasiado resistente. Debe agregar sales como cloruro de sodio o bicarbonato de potasio para que los iones puedan moverse libremente en el agua.
"Pero cuando generas ácido fórmico de esa manera, se mezcla con las sales, ", dijo." Para la mayoría de las aplicaciones, es necesario eliminar las sales del producto final, lo que requiere mucha energía y costo. Entonces empleamos electrolitos sólidos que conducen protones y pueden estar hechos de polímeros insolubles o compuestos inorgánicos, eliminando la necesidad de sales ".
Un reactor de electrocatálisis construido en la Universidad de Rice recicla dióxido de carbono para producir soluciones de combustible líquido puro utilizando electricidad. Los científicos detrás de la invención esperan que se convierta en una forma eficiente y rentable de reutilizar el gas de efecto invernadero y mantenerlo fuera de la atmósfera. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
La velocidad a la que fluye el agua a través de la cámara de producto determina la concentración de la solución. El rendimiento lento con la configuración actual produce una solución que tiene casi un 30% de ácido fórmico en peso, mientras que los flujos más rápidos permiten personalizar la concentración. Los investigadores esperan lograr concentraciones más altas de los reactores de próxima generación que aceptan el flujo de gas para sacar los vapores de ácido fórmico puro.
El laboratorio de Rice trabajó con el Laboratorio Nacional de Brookhaven para ver el proceso en progreso. "Espectroscopia de absorción de rayos X, una técnica poderosa disponible en la línea de luz de espectroscopia de capa interna (ISS) en la fuente de luz sincrotrón nacional II de Brookhaven Lab, nos permite sondear la estructura electrónica de los electrocatalizadores en operando, es decir, durante el proceso químico real, "dijo el coautor Eli Stavitski, científico principal de la línea de luz en la ISS. "En este trabajo, Seguimos los estados de oxidación del bismuto a diferentes potenciales y pudimos identificar el estado activo del catalizador durante la reducción del dióxido de carbono ".
Con su reactor actual, el laboratorio generó ácido fórmico continuamente durante 100 horas con una degradación insignificante de los componentes del reactor, incluidos los catalizadores a nanoescala. Wang sugirió que el reactor podría modificarse fácilmente para producir productos de mayor valor como ácido acético, combustibles de etanol o propanol.
"El panorama general es que la reducción del dióxido de carbono es muy importante por su efecto sobre el calentamiento global, así como para la síntesis química ecológica, "Dijo Wang." Si la electricidad proviene de fuentes renovables como el sol o el viento, podemos crear un bucle que convierta el dióxido de carbono en algo importante sin emitir más ".
