por
Si los investigadores pudieran encontrar una manera de convertir químicamente el dióxido de carbono en combustibles u otros productos, podrían reducir significativamente 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 a gran escala que serían adecuados para usar con una planta de energía u otras fuentes de emisiones.
Hoy, los investigadores del MIT han identificado, cuantificado y modelado una de las principales razones del bajo rendimiento de estos sistemas de conversión. El culpable resulta ser el agotamiento local de dióxido de carbono justo al lado de los electrodos utilizados 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 alcance los niveles necesarios junto al electrodo.
Los hallazgos, que podrían estimular 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 becario postdoctoral 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 grandes desafíos de nuestro tiempo”, dijo Varanasi. Si bien gran parte de la investigación en la región 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 otros carbón. compuestos como metano o etanol, para uso como combustible, o 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 ellos tiene problemas o desafíos”, dice Varanasi. Los procesos térmicos requieren una temperatura muy alta y no producen productos químicos de muy alto valor, lo que también es un desafío con los procesos activados por luz, dice. “La eficiencia siempre está en juego, siempre es un problema. »
El equipo se centró en 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 por 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 en el que se disuelve dióxido de carbono pasa sobre una superficie catalítica de metal cargada eléctricamente. Mais au fur et à mesure que le dioxyde de carbone est converti, il laisse une région dans le flux d’électrolyte où il a été essentiellement utilisé, et donc la réaction au sein de cette zone appauvrie se tourne vers la division de l’eau en lugar. Esta reacción adversa consume energía y reduce significativamente la eficiencia general del proceso de conversión, encontraron los investigadores.
“Hay varios grupos trabajando en esto y existen varios catalizadores”, dice Varanasi. «En todo esto, creo que la coevolución del hidrógeno se convierte en un cuello de botella».
Descubrieron que una forma de contrarrestar este agotamiento se puede lograr a través de un sistema pulsado: un ciclo que consiste simplemente en desconectar el voltaje, detener la reacción y dar tiempo al dióxido de carbono para que se propague al área agotada y vuelva a alcanzar niveles utilizables. y luego reanudar la reacción.
A menudo, dicen los investigadores, los grupos han encontrado materiales catalíticos prometedores, pero no han realizado sus pruebas de laboratorio durante el tiempo suficiente para observar estos efectos de agotamiento, por lo que se han sentido frustrados al tratar de expandir sus sistemas. Además, la concentración de dióxido de carbono junto al catalizador dicta los productos que se fabrican. Por lo tanto, el agotamiento también puede cambiar la composición de los productos producidos y 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 necesita tener ese tipo de efecto .que reducen la eficiencia o la confiabilidad del proceso.
El equipo estudió tres materiales catalíticos diferentes, incluido el cobre, y «realmente nos enfocamos en comprender y cuantificar los efectos del agotamiento», dice Lake. Durante 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 productos gaseosos y la caracterización por resonancia magnética nuclear para los productos líquidos del sistema. Pero su análisis mostró que simplemente medir el pH del electrolito junto al electrodo durante la operación podría proporcionar una medida suficiente de la eficiencia de la reacción a medida que avanzaba.
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 utilizando sus métodos.
Este trabajo muestra, dice Lake, que «no importa de qué material sea su catalizador» en un sistema electrocatalítico de este tipo, «se verá afectado por este problema». Y ahora, utilizando el modelo que desarrollaron, es posible determinar exactamente qué tipo de ventana de tiempo debe evaluarse para tener una idea precisa de la eficiencia general del material y qué tipo de operaciones del sistema podrían maximizar su eficiencia.
La investigación fue apoyada por Shell, a través de la Iniciativa de Energía del MIT.
