La electrólisis del dióxido de carbono (CO2) y el monóxido de carbono (CO) ofrece un medio para convertir las emisiones en productos multicarbono como el etanol y el etileno. Sin embargo, la escasa eficiencia energética y del carbono limita los sistemas actuales.
Ahora, investigadores de la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto han desarrollado un nuevo diseño de catalizador que podría mejorar notablemente la viabilidad de un proceso electroquímico.
En su trabajo, los investigadores se centraron en una variante del proceso conocida como «reducción de CO2 en cascada«. En este proceso, el CO2 se disuelve primero en un electrolito líquido y luego pasa por un electrolizador, donde reacciona con electrones para formar monóxido de carbono. A continuación, el CO pasa por un segundo electrolizador, donde se convierte en productos de dos carbonos, como el etanol, que suele utilizarse como combustible, y el etileno, precursor de muchos tipos de plásticos y otros bienes de consumo.
En el segundo paso, el equipo descubrió ineficiencias que creían que podían superarse. Los retos estaban relacionados con la selectividad, que es la capacidad de maximizar la producción de las moléculas objetivo reduciendo la formación de productos secundarios indeseables.
Uno de los principales problemas es la escasa selectividad en condiciones de baja disponibilidad de reactivos. Esto, a su vez, conduce a un compromiso entre la eficiencia energética -es decir, la eficiencia con la que utilizamos los electrones, que bombeamos al sistema- frente a la eficiencia del carbono, que es una medida de la eficiencia con la que utilizamos el CO2 y el CO.
Adnan Ozden, investigador postdoctoral
Al investigar las razones de esta compensación, el equipo descubrió que se origina por la acumulación excesiva de los iones cargados positivamente, conocidos como cationes, en la superficie del catalizador, así como por la migración indeseable de los iones cargados negativamente, conocidos como aniones, lejos de la superficie del catalizador.
Para superar este reto, se inspiraron en el diseño de los supercondensadores. Añadieron un material poroso, denominado marco orgánico covalente, a la superficie del catalizador, lo que les permitió controlar el transporte de cationes y aniones en el entorno de reacción local.
Con esta modificación, obtuvimos una capa catalizadora muy porosa y altamente hidrófoba. En este diseño, el marco orgánico covalente interactúa con los cationes para limitar su difusión a los sitios activos. El marco orgánico covalente también confina los aniones producidos localmente debido a su alta hidrofobicidad.
Jun Li, autor principal.
Utilizando el nuevo diseño de catalizador, el equipo construyó un electrolizador que convierte el CO en productos de dos carbonos con una eficiencia del 95% en carbono, al tiempo que mantiene una eficiencia energética relativamente alta, del 40%.
La tecnología aún necesita mejoras si se quiere adaptar comercialmente. Durante las pruebas, el dispositivo prototipo mantuvo su rendimiento durante más de 200 horas, pero tendrá que durar aún más para su uso industrial.
Vía New catalyst design could make better use of captured carbon, researchers say (utoronto.ca)
Referencias: Adnan Ozden, Jun Li, Sharath Kandambeth, Xiao-Yan Li, Shijie Liu, Osama Shekhah, Pengfei Ou, Y. Zou Finfrock, Ya-Kun Wang, Tartela Alkayyali, F. Pelayo García de Arquer, Vinayak S. Kale, Prashant M. Bhatt, Alexander H. Ip, Mohamed Eddaoudi, Edward H. Sargent, and David Sinton. Energy- and carbon-efficient CO2/CO electrolysis to multicarbon products via asymmetric ion migration–adsorption. Nature Energy, 2023; DOI: 10.1038/s41560-022-01188-2
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