Un gas de efecto invernadero común podría reutilizarse de manera eficiente y respetuosa con el medio ambiente con un electrolizador que utiliza electricidad renovable para producir combustibles líquidos puros.

El reactor catalítico desarrollado por el laboratorio de ingeniería química y biomolecular de la Rice University, (siendo Haotian Wang líder de la investigación) 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.

El investigador postdoctoral de Rice Chuan Xia, izquierda, y el ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang ajustan su reactor de electrocatálisis para producir ácido fórmico líquido a partir de dióxido de carbono. Crédito: Jeff Fitlow

Reutilizando los gases de efecto invernadero

Wang, quien se unió a la Brown School of Engineering 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.

Wang dijo en un comunicado:

El ácido fórmico es un portador de energía. Es un combustible de celda 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. Ese es actualmente un gran desafío para los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno”.

Dos avances hicieron posible el nuevo dispositivo, dijo el autor principal e investigador postdoctoral de Rice, Chuan Xia. El primero fue el 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.

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). Crédito: Chuan Xia y Demin Liu.

Wang dijo:

El bismuto es un átomo muy pesado, en comparación con los metales de transición como el cobre, el hierro o el cobalto. Su movilidad es mucho menor, particularmente en condiciones de reacción. Eso estabiliza el catalizador”.

Wang señaló que el reactor está estructurado para evitar que el agua entre en contacto con el catalizador, lo que también ayuda a preservarlo.

Es posible producirlo a gran escala

Wang dijo:

Actualmente, las personas producen catalizadores en las escalas de miligramos o gramos. 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.

Un reactor de electrocatálisis construido en Rice recicla dióxido de carbono para producir soluciones de combustible líquido puro usando electricidad. Los científicos detrás de la invención esperan que se convierta en una forma eficiente y rentable de reutilizar el gas de efecto invernadero y mantenerlo fuera de la atmósfera. Crédito: Jeff Fitlow

Wang dijo:

Por lo general, las personas reducen el dióxido de carbono en un electrolito líquido tradicional como el agua salada. 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.

Algunos insectos también usan ácido fórmico como mecanismo de defensa.

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 acepten el flujo de gas para extraer vapores de ácido fórmico puro.

El investigador postdoctoral Rice Chuan Xia, izquierda, y el ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang. Crédito: Jeff Fitlow

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.

Wang dijo:

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. 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”.

El estudio científico ha sido publicado en la revista Nature Energy.

Esta podría ser la solución más efectiva hasta ahora para disminuir la cantidad de CO2 en el ambiente. La idea de reutilizarlo aunque se perciba como nueva contaminación, es una buena propuesta en este mundo tan dependiente de los combustibles fósiles. Así que si podemos dejar de extraer cada vez menos petróleo o carbón y reutilizar el Co2 existente en el ambiente, sí o sí estaremos haciéndole un gran favor al planeta y a las nuevas generaciones. F.T.

Fuente: Rice University