Ingenieros del MIT desarrollan el primer electrodo de su tipo capaz de convertir el CO2 en combustibles y plásticos usables

El equipo del MIT desarrolló un nuevo diseño de electrodos que mejora la eficiencia de la conversión electroquímica del dióxido de carbono en productos como el etileno, utilizando un material de PTFE con hilos de cobre conductores.

Ingenieros del MIT hacen más práctica la conversión de CO₂ en productos útiles

Un nuevo diseño de electrodos aumenta la eficiencia de las reacciones electroquímicas que transforman el dióxido de carbono en etileno y otros productos valiosos.

A medida que el mundo enfrenta la urgente necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los investigadores buscan métodos prácticos y económicos para capturar el dióxido de carbono (CO₂) y convertirlo en productos útiles, como combustibles para transporte, materias primas químicas o incluso materiales de construcción. Hasta ahora, estos esfuerzos han encontrado dificultades para alcanzar la viabilidad económica.

Una investigación reciente realizada por ingenieros del MIT podría marcar un hito en la eficiencia de los sistemas electroquímicos para convertir CO₂ en un recurso valioso. El equipo desarrolló un diseño innovador de electrodos que aumenta la eficiencia en el proceso de conversión.

Los hallazgos se publicaron en la revista Nature Communications, en un artículo escrito por el estudiante doctoral Simon Rufer, el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi y tres colaboradores más.

“El problema del CO₂ es uno de los grandes desafíos de nuestra época, y estamos utilizando diversas estrategias para abordarlo”, afirma Varanasi. Es fundamental encontrar métodos prácticos para eliminar este gas, ya sea desde fuentes como las emisiones de plantas de energía o directamente desde el aire o los océanos. Pero una vez extraído el CO₂, debe tener un destino útil.

Hacia una conversión económica del CO₂

Existen múltiples sistemas para convertir el CO₂ capturado en productos químicos útiles, como señala Varanasi. “No es que no podamos hacerlo; podemos. Pero la pregunta es cómo hacerlo de manera eficiente y rentable”.

El equipo del MIT se enfocó en la conversión electroquímica del CO₂ en etileno, un químico ampliamente utilizado para la producción de plásticos y combustibles, actualmente derivado del petróleo. La tecnología también tiene el potencial de aplicarse a otros productos químicos valiosos como el metano, el metanol y el monóxido de carbono.

Actualmente, el etileno tiene un valor aproximado de 1.000 dólares por tonelada, por lo que el objetivo es que este proceso electroquímico alcance o incluso supere ese nivel de competitividad en costos. En el proceso de conversión, que emplea una solución acuosa y un catalizador, los electrodos juegan un papel crucial. Estos deben ser buenos conductores eléctricos para evitar pérdidas de energía y, a la vez, hidrofóbicos para que el electrolito no interfiera en las reacciones.

Superando los desafíos de diseño

Sin embargo, la mejora en la conductividad suele reducir la hidrofobicidad, creando un conflicto de diseño en los materiales de los electrodos. Tras meses de investigación, el equipo encontró una solución ingeniosa. Utilizando un material de PTFE (similar al teflón), conocido por su alta hidrofobicidad, lograron crear un electrodo innovador. El PTFE, aunque no es conductor, fue complementado con hilos de cobre que proporcionan un “camino superconductor” para los electrones, solucionando el problema de resistencia sin comprometer la hidrofobicidad.

“Este trabajo realmente abordó este desafío, ya que ahora podemos obtener tanto conductividad como hidrofobicidad”, señala Varanasi.

Además, para demostrar el potencial de escalado, el equipo desarrolló una lámina 10 veces más grande que las muestras de laboratorio tradicionales, de aproximadamente 25 centímetros cuadrados. En las pruebas, observaron que el aumento en el tamaño del electrodo reducía la eficiencia, lo que requería más energía para las reacciones. Por ello, incorporaron el modelo de hilos de cobre entretejidos, creando subsegmentos dentro del material, lo que permitió mantener la eficiencia en mayores tamaños de electrodos.

Impacto a escala industrial y viabilidad económica

Los estudios realizados permitieron al equipo calcular el espaciado óptimo para los hilos conductores para contrarrestar las pérdidas de eficiencia en electrodos más grandes. Este diseño facilita el transporte de electrones a través del material de PTFE, optimizando el uso de la energía.

Para demostrar la robustez del sistema, el equipo probó un electrodo durante 75 horas continuas sin observar cambios significativos en el rendimiento. Rufer señala que este es el primer electrodo basado en PTFE que ha progresado más allá de la escala de laboratorio sin sacrificar la eficiencia, alcanzando un tamaño considerable que podría integrarse en aplicaciones industriales.

El proceso de tejido de hilos de cobre es adaptable a los sistemas de fabricación actuales y podría implementarse en procesos de producción en gran escala. Según Rufer, “se puede incorporar este hilo de cobre en cualquier electrodo de difusión de gas, independientemente de la morfología o química del catalizador, permitiendo que el diseño se adapte a diversas aplicaciones”.

Un futuro sostenible a gran escala

“Dado que necesitaremos procesar gigatoneladas de CO₂ anualmente para enfrentar el desafío climático, necesitamos soluciones escalables”, subraya Varanasi. Con esta mentalidad, el equipo ha logrado identificar los cuellos de botella críticos y desarrollar métodos innovadores para enfrentar este problema de manera efectiva.

Esta investigación, que incluyó la colaboración de estudiantes graduados del MIT y fue financiada por Shell a través del MIT Energy Initiative, representa un avance en la ciencia de los materiales y la sostenibilidad. A medida que los investigadores continúan buscando formas de mejorar la eficiencia y reducir costos, este desarrollo ofrece una base sólida para convertir el CO₂ en un recurso útil, ayudando a mitigar uno de los mayores desafíos medioambientales de nuestro tiempo.