Dos nuevas técnicas de electrólisis utilizan eficientemente la electricidad para dividir las moléculas de dióxido de carbono.
El dióxido de carbono (CO 2 ) es el producto final de la sociedad, con miles de millones de toneladas de material inyectado al aire cada año. Pero el reciclaje en combustibles y productos químicos valiosos siempre ha requerido demasiada energía para tener sentido financiero. Ahora, los investigadores han encontrado dos formas eficientes de convertir el CO 2 en subproductos ricos en energía, informaron la semana pasada aquí en una reunión de la Sociedad Química Americana (ACS). Si obtienen tracción, podrían ayudar a resolver otro problema acuciante: Debido a que ambos enfoques requieren una corriente constante de electrones de una fuente de electricidad, podrían sifonar toda la energía solar y eólica “perdida” que actualmente no se puede almacenar en electricidad rejillas.
Para reciclar CO 2 , algunos investigadores imitan la fotosíntesis, aprovechando la luz solar para convertir la molécula en hidratos de carbono. Pero estos reactores de combustible solar a menudo necesitan funcionar a temperaturas de 1000 ° C. Otros químicos favorecen un enfoque más tradicional que llevaría a cabo reacciones similares, pero cerca de la temperatura ambiente en células electroquímicas que necesitan electricidad y catalizadores especiales.
El primer paso en este enfoque electrolítico es dividir el CO 2 , una molécula dura y estable, en oxígeno y monóxido de carbono (CO), una molécula ligeramente más rica en energía que puede formar la base para combustibles hidrocarbonados como el metanol. Ese proceso se inicia con dos electrodos de catalizador-cubierto sumergió en un vaso de precipitados de agua en la que CO 2 se ha disuelto. La corriente de electrones entre estos electrodos lleva a cabo reacciones separadas que dividen el agua y el CO 2 , generando finalmente CO y más agua.
Teóricamente, debería tomar sólo 1,33 voltios de electricidad, menos que la producida por una batería AA. Pero en la práctica, los investigadores deben elevar el voltaje de otro voltio o así para impulsar la reacción a un clip más rápido. Este voltaje adicional, conocido como el sobrepotencial, equivale a un recargo de energía que reduce la eficiencia de la célula. Otro problema es que la mayoría de los catalizadores canalizan más de los electrones disponibles a la división del agua en lugar de convertir CO 2 a CO.
En 2011, los investigadores liderados por Richard Masel, químico y director general de Dioxide Materials en Boca Raton, Florida, probaron una configuración con catalizadores de plata y óxido de iridio y un electrolito líquido para promover la reacción CO 2 a CO. El electrolito contenía un compuesto llamado imidazolio que formaba una capa protectora alrededor del electrodo cubierto de plata. Esto bloqueó la reacción de separación de agua y alentó al catalizador a pasar casi todos sus electrones a convertir el CO 2 en su lugar. También produjo CO con un overpotential de apenas 0.17 voltios. Pero los líquidos iónicos pueden ser costosos y corrosivos. Así que los materiales de dióxido se establecen sobre la fabricación de una membrana de plástico duradero y barato que podría servir la misma función cuando se coloca encima de un electrodo de plata.
El año pasado, la compañía informó que había hecho con éxito las membranas. Pero en la reunión de ACS, el químico Richard Ni del dióxido de los materiales divulgó que los dispositivos que los usaban produjeron CO con una eficacia casi el doble que el de la membrana mejor siguiente. Ni también informó que con las mejoras recientes, sus células pueden transformar CO 2 en CO al doble de la velocidad de otros electrolizadores de CO 2 de tamaño comparable, lo que podría ayudarles a procesar grandes volúmenes de CO 2 cuando aumentan la escala. Ni agregó que los dispositivos de la compañía se mantienen estables y no deteriorados después de 6 meses de funcionamiento continuo.
“Esos son resultados muy buenos”, y se considera lo suficientemente bueno para un producto comercial, dice Fan Shi, químico del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética de Pittsburgh, Pensilvania. Dioxide Materials no está solo en intentar comercializar el proceso: Ya, el gigante químico BASF ha anunciado planes para producir combustible líquido de metanol usando un método similar. Y una empresa alemana llamada Sunfire anunció en mayo que está produciendo “crudo azul”, un combustible diesel sintético a partir de CO 2 y agua usando un proceso a alta temperatura.
Mientras tanto, Dioxide Materials ha aumentado el tamaño de sus electrodos desde cuadrados más pequeños que un sello de correos de los Estados Unidos a los más grandes que una mano de adulto, lo que permite un mayor flujo de CO. Y la compañía se ha asociado con el gigante industrial 3M para producir franjas de sus membranas de imidazol en un proceso de bobina a bobina. La compañía también está en conversaciones con fabricantes de productos químicos industriales como Linde y Siemens, la exploración de los lugares en los que podrían ser capaces de acceder puros CO 2 corrientes de desechos y el exceso de energía renovable. “Eso podría ser clave”, dice Shi. “Puede almacenar energía durante períodos de baja demanda”.
Para lograr un impacto realmente a gran escala, la empresa puede necesitar encontrar catalizadores de electrodos más baratos que la plata y el óxido de iridio, dice Haotian Wang, químico de la Universidad de Harvard. Ni dice que la compañía está buscando opciones más baratas para reemplazar el iridio, un metal raro y costoso.
Otro prospecto a largo plazo fue planteado en la reunión de ACS por Paul Kenis, químico de la Universidad de Illinois en Urbana. Aunque la conversión de CO 2 a CO es la opción más simple, Kenis y otros están buscando transformar el CO 2 de una sola vez en metano, ácido fórmico, metanol u otros hidrocarburos complejos con más energía y un mayor valor. Pero las reacciones son más complicadas, requiriendo no sólo una fuente de electrones sino también protones. Con el fin de ejecutar estas reacciones, los investigadores suelen utilizar un ánodo para dividir las moléculas de agua en protones, electrones y oxígeno, y luego alimentar los protones y electrones a un cátodo, donde reaccionan con CO 2 para hacer hidrocarburos. La reacción de separación de agua también requiere normalmente un recargo de energía pesada.
En la reunión de ACS, Kenis informó que su grupo ha creado un dispositivo de descarga de CO 2 en el que reemplazaron el agua en el ánodo con un líquido llamado glicerol, un producto de desecho producido por la tonelada en plantas de biodiesel. Usando el glicerol, Kenis dice que su equipo pudo reducir el overpotential en esa parte de su sistema por casi dos tercios y churn el ácido fórmico, que se utiliza extensamente en síntesis química. Kenis confiesa que la nueva configuración puede generar productos secundarios que aún no conocen y que tiene un largo camino por recorrer antes de convertirse en una tecnología comercial. Pero William Goddard, químico del Instituto Tecnológico de California en Pasadena, dice que estaba impresionado con la idea. “Tomar lo que ahora se considera basura y convertirlo, que tiene un potencial real”, dice.