Si los investigadores pudieran encontrar una manera de convertir químicamente el dióxido de carbono en combustibles u otros productos, podrían hacer una gran mella en las emisiones de gases de efecto invernadero. Pero muchos de esos procesos que parecían prometedores en el laboratorio no se han desempeñado como se esperaba en formatos ampliados que serían adecuados para su uso con una planta de energía u otras fuentes de emisiones.

Ahora, los investigadores del MIT han identificado, cuantificado y modelado una de las principales razones del bajo rendimiento en tales sistemas de conversión. El culpable resulta ser un agotamiento local del gas de dióxido de carbono justo al lado de los electrodos que se utilizan para catalizar la conversión. El equipo descubrió que el problema se puede aliviar simplemente apagando y encendiendo la corriente a intervalos específicos, dando tiempo para que el gas vuelva a acumularse hasta los niveles necesarios junto al electrodo.

Los hallazgos, que podrían estimular el progreso en el desarrollo de una variedad de materiales y diseños para sistemas electroquímicos de conversión de dióxido de carbono, se publicaron hoy en la revista Langmuir. , en un artículo del posdoctorado del MIT Álvaro Moreno Soto, el estudiante de posgrado Jack Lake y el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.

"Creo que la mitigación del dióxido de carbono es uno de los desafíos importantes de nuestro tiempo", dice Varanasi. Si bien gran parte de la investigación en el área se ha centrado en la captura y el secuestro de carbono, en los que el gas se bombea a algún tipo de depósito subterráneo profundo o se convierte en un sólido inerte como la piedra caliza, otra vía prometedora ha sido convertir el gas en otro tipo de carbono. compuestos como el metano o el etanol, para ser utilizados como combustible, o el etileno, que sirve como precursor de polímeros útiles.

Hay varias formas de realizar tales conversiones, incluidos los procesos electroquímicos, termocatalíticos, fototérmicos o fotoquímicos. "Cada uno de estos tiene problemas o desafíos", dice Varanasi. Los procesos térmicos requieren una temperatura muy alta y no producen productos químicos de muy alto valor, lo cual también es un desafío con los procesos activados por luz, dice. "La eficiencia siempre está en juego, siempre es un problema".

El equipo se ha centrado en los enfoques electroquímicos, con el objetivo de obtener "productos con mayor contenido de C", compuestos que contienen más átomos de carbono y tienden a ser combustibles de mayor valor debido a su energía por peso o volumen. En estas reacciones, el mayor desafío ha sido frenar las reacciones en competencia que pueden tener lugar al mismo tiempo, especialmente la división de las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno.

Las reacciones tienen lugar cuando una corriente de electrolito líquido con el dióxido de carbono disuelto pasa sobre una superficie catalítica de metal que está cargada eléctricamente. Pero a medida que el dióxido de carbono se convierte, deja atrás una región en la corriente de electrolitos donde esencialmente se ha agotado, por lo que la reacción dentro de esta zona empobrecida se vuelve hacia la división del agua. Esta reacción no deseada consume energía y reduce en gran medida la eficiencia general del proceso de conversión, encontraron los investigadores.

"Hay varios grupos trabajando en esto y varios catalizadores", dice Varanasi. "En todos estos, creo que la coevolución del hidrógeno se convierte en un cuello de botella".

Descubrieron que una forma de contrarrestar este agotamiento puede lograrse mediante un sistema pulsado, un ciclo en el que simplemente se apaga el voltaje, se detiene la reacción y se le da tiempo al dióxido de carbono para que se propague nuevamente a la zona agotada y alcance niveles utilizables nuevamente, y luego reanudando la reacción.

A menudo, dicen los investigadores, los grupos han encontrado materiales catalizadores prometedores pero no han realizado sus pruebas de laboratorio durante el tiempo suficiente para observar estos efectos de agotamiento y, por lo tanto, se han sentido frustrados al tratar de ampliar sus sistemas. Además, la concentración de dióxido de carbono junto al catalizador determina los productos que se fabrican. Por lo tanto, el agotamiento también puede cambiar la combinación de productos que se producen y puede hacer que el proceso no sea confiable. "Si desea poder crear un sistema que funcione a escala industrial, debe poder ejecutar las cosas durante un largo período de tiempo", dice Varanasi, "y no debe tener este tipo de efectos que reducen el eficiencia o confiabilidad del proceso."

El equipo estudió tres materiales catalizadores diferentes, incluido el cobre, y "realmente nos enfocamos en asegurarnos de que entendíamos y podíamos cuantificar los efectos del agotamiento", dice Lake. En el proceso, pudieron desarrollar una forma simple y confiable de monitorear la eficiencia del proceso de conversión a medida que ocurre, midiendo los niveles cambiantes de pH, una medida de acidez, en el electrolito del sistema.

En sus pruebas, utilizaron herramientas analíticas más sofisticadas para caracterizar los productos de reacción, incluida la cromatografía de gases para el análisis de los productos gaseosos y la caracterización por resonancia magnética nuclear para los productos líquidos del sistema. Pero su análisis mostró que la simple medición del pH del electrolito junto al electrodo durante la operación podría proporcionar una medida suficiente de la eficiencia de la reacción a medida que avanzaba.

Esta capacidad de monitorear fácilmente la reacción en tiempo real podría conducir en última instancia a un sistema optimizado mediante métodos de aprendizaje automático, controlando la tasa de producción de los compuestos deseados a través de una retroalimentación continua, dice Moreno Soto.

Ahora que el proceso se comprende y cuantifica, se podrían desarrollar otros enfoques para mitigar el agotamiento del dióxido de carbono, dicen los investigadores, y se podrían probar fácilmente usando sus métodos.

Este trabajo muestra, dice Lake, que "no importa cuál sea el material de su catalizador" en un sistema electrocatalítico de este tipo, "se verá afectado por este problema". Y ahora, al usar el modelo que desarrollaron, es posible determinar exactamente qué tipo de ventana de tiempo debe evaluarse para obtener una idea precisa de la eficiencia general del material y qué tipo de operaciones del sistema podrían maximizar su efectividad.