Es un futuro que, según Haotian Wang, puede estar más cerca de lo que muchos creen.
Como colega en el Instituto Rowland en Harvard, Wang y sus colegas desarrollaron un sistema mejorado para usar electricidad renovable para reducir el dióxido de carbono a monóxido de carbono, un producto clave utilizado en varios procesos industriales. El sistema se describe en un artículo del 8 de noviembre publicado en Joule , una revista hermana recientemente lanzada de Cell press.
“La idea más prometedora podría ser conectar estos dispositivos con centrales eléctricas de carbón u otra industria que produzca una gran cantidad de CO 2 “, dijo Wang. “Aproximadamente el 20 por ciento de esos gases son CO 2 , por lo tanto, si puede bombearlos a esta celda … y combinarlos con electricidad limpia, entonces podemos potencialmente producir químicos útiles a partir de estos desechos de una manera sostenible, e incluso cerrarlos. de ese ciclo de CO 2 “.
El nuevo sistema, dijo Wang, representa un paso dramático hacia adelante desde el que él y sus colegas describieron por primera vez en un artículo de 2017 en Chem.
Cuando el viejo sistema era apenas el tamaño de un teléfono celular y se basó en dos cámaras de electrolitos lleno, cada uno de los cuales llevan a cabo un electrodo, el nuevo sistema es más barato y se basa en altas concentraciones de CO 2 de gas y agua de vapor para operar más efficiently- Solo una celda de 10 por 10 centímetros, dijo Wang, puede producir hasta cuatro litros de CO por hora.
El nuevo sistema, dijo Wang, aborda los dos desafíos principales, el costo y la escalabilidad, que se consideraron como limitantes del enfoque inicial.
“En ese trabajo anterior, descubrimos los catalizadores de un solo átomo de níquel que son muy selectivos para reducir el CO 2 al CO … pero uno de los desafíos que enfrentamos fue que los materiales eran costosos de sintetizar”, dijo Wang. “El soporte que usábamos para anclar átomos de níquel individuales se basaba en el grafeno, lo que dificultaba mucho la ampliación si se quería producir a escala de gramo o kilogramo para su uso práctico en el futuro”.
Para abordar ese problema, dijo, su equipo recurrió a un producto comercial que es miles de veces más barato que el grafeno como soporte alternativo: el negro de carbón.
Usando un proceso similar a la atracción electrostática, Wang y sus colegas son capaces de absorber átomos de níquel individuales (con carga positiva) en defectos (cargadas negativamente) en nanopartículas de carbono negro, con el material resultante ser a la vez de bajo costo y altamente selectivo para CO 2 reducción.
“En este momento, lo mejor que podemos producir son gramos, pero antes solo podíamos producir miligramos por lote”, dijo Wang. “Pero esto solo está limitado por el equipo de síntesis que tenemos; si tuvieras un tanque más grande, podrías hacer kilogramos o incluso toneladas de este catalizador”.
El otro desafío que Wang y sus colegas tuvieron que superar fue el hecho de que el sistema original solo funcionaba en una solución líquida.
El sistema inicial funcionó utilizando un electrodo en una cámara para dividir las moléculas de agua en oxígeno y protones. A medida que el oxígeno burbujeaba, los protones conducidos a través de la solución líquida se moverían a la segunda cámara, donde, con la ayuda del catalizador de níquel, se unirían con CO 2 y romperían la molécula, dejando CO y agua. Esa agua podría luego ser devuelta a la primera cámara, donde nuevamente se dividiría, y el proceso comenzaría nuevamente.
“El problema era que, el CO 2 podemos reducir en ese sistema son sólo aquellos disuelto en agua, la mayoría de las moléculas que rodean el catalizador fuera agua”, dijo. “Solo había una cantidad mínima de CO 2 , por lo que era bastante ineficiente”.
Si bien puede ser tentador simplemente aumentar el voltaje aplicado sobre el catalizador para aumentar la velocidad de reacción, eso puede tener la consecuencia no deseada de dividir el agua, no reducir el CO 2 , dijo Wang.
“Si se agota el CO 2 que está cerca del electrodo, otras moléculas tienen que difundirse al electrodo, y eso lleva tiempo”, dijo Wang. “Pero si está aumentando el voltaje, es más probable que el agua circundante aproveche esa oportunidad para reaccionar y dividirse en hidrógeno y oxígeno”.
La solución demostró ser relativamente simple: para evitar dividir el agua, el equipo sacó el catalizador de la solución.
“Reemplazamos esa agua líquida con vapor de agua y la alimentamos con gas CO 2 de alta concentración “, dijo. “Entonces, si el sistema anterior tenía más del 99 por ciento de agua y menos del 1 por ciento de CO 2 , ahora podemos revertirlo completamente y bombear el 97 por ciento de gas de CO 2 y solo el 3 por ciento de vapor de agua en este sistema. Antes de que el agua líquida también funcione como conductores de iones en el sistema, y ??ahora usamos membranas de intercambio iónico para ayudar a que los iones se muevan sin agua líquida .
“El impacto es que podemos entregar un orden de magnitud de mayor densidad de corriente”, continuó. “Anteriormente, estábamos operando a unos diez miliamperios por centímetro cuadrado, pero hoy podemos aumentar fácilmente a 100 miliamperios”.
De cara al futuro, dijo Wang, el sistema aún tiene desafíos que superar, particularmente en relación con la estabilidad.
“Si desea utilizar esto para generar un impacto económico o ambiental, debe tener una operación continua de miles de horas”, dijo. “En este momento, no podemos hacer esto durante decenas de horas, por lo que todavía hay una gran brecha, pero creo que esos problemas pueden ser abordados con un análisis más detallado tanto de las emisiones de CO 2 catalizador de reducción y el catalizador de oxidación del agua.”
En última instancia, dijo Wang, puede llegar el día en que la industria pueda capturar el CO 2 que ahora se libera a la atmósfera y transformarlo en productos útiles.
“El monóxido de carbono no es un producto químico de valor particularmente alto”, dijo Wang. “Para explorar más posibilidades, mi grupo también ha desarrollado varios catalizadores a base de cobre que se puede reducir aún más CO 2 en productos que son mucho más valioso.”
Wang reconoció la libertad de la que disfrutó en el Instituto Rowland por ayudar a liderar avances como el nuevo sistema.
“Rowland me ha proporcionado, como investigador de carrera temprana, una gran plataforma para la investigación independiente, que inicia una gran parte de las direcciones de investigación que mi grupo continuará impulsando”, dijo Wang, quien recientemente aceptó un puesto en la Universidad Rice. “Definitivamente voy a extrañar mis días aquí”.
Referencia del diario: Joule
Proporcionado por: Harvard University
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