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Los sistemas para capturar y convertir el dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas podrían ser herramientas importantes para frenar el cambio climático, pero la mayoría son relativamente ineficientes y costosos. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método que podría mejorar drásticamente el rendimiento de los sistemas que utilizan superficies catalíticas para mejorar las tasas de reacciones electroquímicas de secuestro de carbono.
Estos sistemas catalíticos son una opción atractiva para la captura de carbono porque pueden producir productos útiles y valiosos, como combustibles de transporte o materias primas químicas. Este resultado puede ayudar a subsidiar el proceso, compensando así los costos de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
En estos sistemas, típicamente se pasa una corriente de gas que contiene dióxido de carbono a través del agua para proporcionar dióxido de carbono para la reacción electroquímica. El movimiento en el agua es lento, lo que ralentiza la tasa de conversión de dióxido de carbono. El nuevo diseño asegura que el flujo de dióxido de carbono permanezca concentrado en el agua justo al lado de la superficie del catalizador. Esta concentración, demostraron los investigadores, casi puede duplicar el rendimiento del sistema.
Los resultados se describen hoy en la revisión. Informes celulares Ciencias físicas en un artículo del becario postdoctoral del MIT Sami Khan PhD '19, quien ahora es profesor asistente en la Universidad Simon Fraser, junto con los profesores de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi y Yang Shao-Horn, y el recién graduado Jonathan Hwang PhD & # 39; 19.
“El secuestro de dióxido de carbono es el desafío de nuestro tiempo”, dice Varanasi. Hay varios enfoques que incluyen el secuestro geológico, el almacenamiento oceánico, la mineralización y la conversión química. Cuando se trata de fabricar productos útiles y vendibles a partir de este gas de efecto invernadero, la conversión electroquímica es particularmente prometedora, pero aún debe mejorarse para que sea económicamente viable. "El propósito de nuestro trabajo era comprender cuál era el principal cuello de botella en este proceso y mejorar o aliviar ese cuello de botella", dice.
Se descubrió que el cuello de botella implica la entrega de dióxido de carbono a la superficie catalítica que promueve las transformaciones químicas deseadas, encontraron los investigadores. En estos sistemas electroquímicos, el flujo de gas que contiene dióxido de carbono se mezcla con agua, ya sea a presión o burbujeándolo a través de un recipiente provisto de electrodos de un material catalizador, como el cobre. Luego se aplica voltaje para promover reacciones químicas que producen compuestos de carbono que pueden convertirse en combustibles u otros productos.
Hay dos desafíos en tales sistemas: la reacción puede avanzar tan rápidamente que consume el suministro de dióxido de carbono que llega al catalizador más rápido de lo que puede ser reconstituido; y si eso sucede, una reacción competitiva, la división del agua en hidrógeno y oxígeno, puede tomar el control y socavar gran parte de la energía invertida en la reacción.
Los esfuerzos previos para optimizar estas reacciones texturizando las superficies del catalizador para aumentar el área superficial de las reacciones no habían cumplido sus expectativas, ya que el suministro de dióxido de carbono a la superficie no podía mantenerse al día con la reacción.; Aumentando la reacción tasa, cambiando así a la producción de hidrógeno. horas suplementarias.
Los investigadores abordaron estos problemas mediante el uso de una superficie de atracción de gas colocada muy cerca del material catalizador. Este material es un material superhidrofóbico "gásfilo" de textura especial que repele el agua pero permite que una capa de gas suave llamada plastrón permanezca cerca a lo largo de su superficie. Mantiene la entrada de dióxido de carbono directamente contra el catalizador de modo que se puedan maximizar las reacciones de conversión de dióxido de carbono deseadas.
Utilizando indicadores de pH basados en colorantes, los investigadores pudieron visualizar los gradientes de concentración de dióxido de carbono en la celda de prueba y mostrar que el aumento de la concentración de dióxido de carbono emana del plastrón.
En una serie de experimentos de laboratorio que utilizaron esta configuración, la velocidad de la reacción de conversión de carbono casi se duplicó. También se mantuvo con el tiempo, mientras que en experimentos anteriores la reacción disminuyó rápidamente. El sistema produjo altos niveles de etileno, propanol y etanol, un combustible automotriz potencial. Mientras tanto, la evolución del hidrógeno de la competencia se ha reducido considerablemente. Si bien el nuevo trabajo permite refinar el sistema para producir la mezcla de productos deseada, en algunas aplicaciones optimizar la producción de hidrógeno como combustible puede ser el resultado deseado, lo que también se puede lograr.
"La métrica importante es la selectividad", dice Khan, refiriéndose a la capacidad de generar compuestos valiosos que se producirán mediante una combinación determinada de materiales, texturas y tensiones, y de ajustar la configuración en función del resultado deseado.
Al concentrar dióxido de carbono cerca de la superficie del catalizador, el nuevo sistema también produjo dos nuevos compuestos de carbono potencialmente útiles, acetona y acetato, que previamente no se habían detectado en tales sistemas electroquímicos a tasas apreciables.
En este trabajo de laboratorio inicial, se colocó una sola tira del material hidrófobo que atrae gas junto a un solo electrodo de cobre, pero en trabajos futuros se podría fabricar un dispositivo práctico utilizando un conjunto denso de pares de placas entrelazadas, sugiere Varanasi.
En comparación con el trabajo anterior sobre la reducción de carbono electroquímico con catalizadores nanoestructurados, Varanasi afirma: "Los superamos significativamente a todos, porque incluso si es el mismo catalizador, es la forma en que entregamos el dióxido de carbono que cambia el juego".
La investigación fue financiada por la empresa de energía italiana Eni S.p.A a través de la Iniciativa de Energía del MIT y una beca de posgrado NSERC PGS-D de Canadá.
