Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado una forma eficiente y respetuosa con el medio ambiente de tomar dióxido de carbono y convertirlo en combustible líquido. El dispositivo utiliza un reactor catalítico para transformar el gas de efecto invernadero en ácido fórmico, un reactivo químico importante que también se encuentra en el veneno de abejas y hormigas.
El reactor catalítico desarrollado por el laboratorio de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Rice, 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 e intensivos en energía, dijo Wang. La producción directa de soluciones de ácido fórmico puro ayudará a promover tecnologías comerciales de conversión de dióxido de carbono.
Wang, quien se unió a la Escuela de Ingeniería Brown de Rice en enero, y su grupo persiguen tecnologías que convierten los gases de efecto invernadero en productos útiles. En las pruebas, el nuevo electrocatalizador alcanzó una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente 42 %. Eso significa que casi la mitad de la energía eléctrica puede almacenarse en ácido fórmico como combustible líquido.
“El ácido fórmico es un portador de energía”, dijo Wang. “Es un combustible que puede generar electricidad y emitir dióxido de carbono, que puede tomar y reciclar nuevamente”.
“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. “Ese es actualmente un gran desafío para los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno”.
Figura 2. Este esquema muestra el electrolizador desarrollado en Rice para reducir el dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, a combustibles valiosos. A la izquierda hay un catalizador que selecciona dióxido de carbono y lo reduce a un formiato cargado negativamente, que se extrae a través de una capa de difusión de gas (GDL) y la membrana de intercambio aniónico (AEM) en el electrolito central. A la derecha, un catalizador de reacción de evolución de oxígeno (REA) genera protones positivos 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 llevan a cabo fuera del sistema mediante agua y gas desionizados (DI). Ilustración de Chuan Xia y Demin Liu.
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 catalizador de bismuto bidimensional robusto 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 los metales de transición como el cobre, el hierro o el 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, lo que también ayuda a preservarlo.
Xia puede fabricar los nanomateriales a granel. “Actualmente, las personas producen catalizadores en las escalas de miligramos o gramos”, dijo. “Desarrollamos una forma de producirlos a escala de kilogramos. Eso hará que nuestro proceso sea más fácil de escalar para la industria”.
El electrolito sólido a base de polímero está recubierto con ligandos de ácido sulfónico para conducir carga positiva 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. “Desea 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 se genera ácido fórmico de esa manera, se mezcla con las sales”, dijo. “Para la mayoría de las aplicaciones, debe eliminar las sales del producto final, lo que requiere mucha energía y costos. Así que empleamos electrolitos sólidos que conducen protones y pueden estar hechos de polímeros insolubles o compuestos inorgánicos, eliminando la necesidad de sales”.
La velocidad a la que fluye el agua a través de la cámara del producto determina la concentración de la solución. El rendimiento lento con la configuración actual produce una solución que es casi un 30 % de ácido fórmico en peso, mientras que los flujos más rápidos permiten personalizar la concentración. Los investigadores esperan alcanzar concentraciones más altas de los reactores de próxima generación que aceptan el flujo de gas para extraer vapores de ácido fórmico puro.
El laboratorio de Rice trabajó con el Laboratorio Nacional Brookhaven para ver el proceso. “La espectroscopía de absorción de rayos X, una técnica poderosa disponible en la línea de haz de la Espectroscopía de cubierta interna (ISS) en la Fuente de luz nacional sincrotrón II de Brookhaven Lab, nos permite sondear la estructura electrónica de electrocatalizadores en operando, es decir, durante el proceso químico real” Dijo el coautor Eli Stavitski, científico principal de la línea de luz de 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 de 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 ser fácilmente modificado para producir productos de mayor valor como el ácido acético, el etanol o los combustibles de propanol.
“El panorama general es que la reducción de dióxido de carbono es muy importante por su efecto sobre el calentamiento global, así como para la síntesis química verde”, dijo Wang. “Si la electricidad proviene de fuentes renovables como el sol o el viento, podemos crear un circuito que convierta el dióxido de carbono en algo importante sin emitir más”.
Los coautores son el estudiante graduado de Rice Peng Zhu; estudiante graduado Qiu Jiang y Husam Alshareef, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, en la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah, Arabia Saudita (KAUST); investigador postdoctoral Ying Pan de la Universidad de Harvard; y el científico del personal Wentao Liang de la Northeastern University. Wang es el profesor asistente de fiduciario William Marsh Rice de ingeniería química y biomolecular. Xia es becario postdoctoral de J. Evans Attwell-Welch en Rice.
Rice y las instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencia de la Secretaría de Energía de los Estados Unidos apoyaron la investigación.
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