Se han realizado mejoras dramáticas en el proceso de conversión de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, en metanol, combustible y componente básico para una amplia gama de materiales cotidianos, según los investigadores de Penn State.
Las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono están aumentando y el cambio climático se está convirtiendo en una preocupación mundial que requiere esfuerzos globales para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Un enfoque es usar dióxido de carbono como fuente de carbono en las reacciones con hidrógeno, donde el hidrógeno se produce a partir del agua usando energías renovablesenergía, y la reacción sintetiza metanol. Esto ayudará a reducir las emisiones de dióxido de carbono y mitigar la dependencia de los combustibles fósiles.
Los investigadores han avanzado el proceso de convertir dióxido de carbono en metanol, que contiene cuatro partes de hidrógeno, una parte de oxígeno y una parte de carbono, mediante el desarrollo de un nuevo catalizador que utiliza una formulación específica de paladio y cobre. El trabajo teórico y experimental, recientementepublicado en catálisis ACS , es el resultado de años de investigación experimental y computacional integrada realizada en asociación con la Universidad Tecnológica de Dalian en China en conjunto con el Centro Conjunto Penn State-Dalian para la Investigación de Energía. La investigación colaborativa Penn State-Dalian descubrió los beneficios decombinando los dos metales como catalizador.
Un factor clave en la conversión de dióxido de carbono en metanol es encontrar un buen catalizador para que el metanol se pueda producir en alta selectividad a una velocidad eficiente. En el rango de relación atómica de paladio a cobre de 0.3 a 0.4, combinando paladio y cobre producidola conversión más eficiente de metanol a partir de dióxido de carbono utilizando nanopartículas del catalizador dispersas en un material de soporte poroso que aumenta el área de superficie del catalizador. Con un catalizador del tamaño de una nuez, el área de superficie interna del catalizador cubriría aproximadamente el áreade un campo de fútbol.
Los investigadores descubrieron que las nuevas formulaciones, utilizando la relación atómica precisa de los dos metales, aumentaron la tasa de formación de metanol en tres veces sobre el paladio solo y en cuatro veces sobre el cobre solo, lo que representa una mejora significativa con respecto a los métodos anteriores.
Instituto, comparó el proceso con un gato que atrapa un ratón en la superficie de un catalizador. Para que se produzca la conversión, necesita dióxido de carbono, el gato, e hidrógeno, el ratón. Pero necesita crear elcondiciones ideales para que el gato atrape con éxito el mouse. Si el gato no puede alcanzar el mouse, o las condiciones lo ralentizan, el gato tiene menos éxito.
Esto funciona porque el catalizador que combina dos metales no solo puede reducir los requisitos energéticos para acelerar la reacción de dióxido de carbono e hidrógeno, sino que también altera las vías de reacción para producir el producto más deseado con mayor eficiencia energética.
"Los estudios convencionales se centraron en el cobre, pero eso no arroja resultados eficientes", dijo Song. "Es lo mismo para el paladio. Pero unir el paladio y el cobre crea una estructura superficial única que muestra una selectividad especial para crear metanol a partir de dióxido de carbono. Este estudio proporciona las ideas fundamentales sobre los efectos muy sinérgicos del uso de estos dos metales juntos ".
Para crear metanol, los investigadores bombearon hidrógeno y dióxido de carbono en una cámara sellada de un recipiente del reactor lleno con el catalizador y calentaron el contenido a entre 356 y 482 grados Fahrenheit. La conversión máxima de dióxido de carbono en metanol es de aproximadamente 24 por ciento,sin embargo, el dióxido de carbono y el hidrógeno no convertidos serán reciclados y devueltos al recipiente en un entorno industrial, muy similar a lo que se hace en la síntesis de metanol convencional usando monóxido de carbono e hidrógeno.
El proceso de hidrogenación de dióxido de carbono funciona descomponiendo el agua para crear un gas de hidrógeno utilizando energía renovable, que luego se une con el dióxido de carbono en la superficie del catalizador para crear metanol. Song dijo que debido a que su catalizador fomenta una alta selectividad, un porcentaje mayor delos productos van a crear metanol
El metanol se usa para crear muchos materiales y combustibles, desde adhesivos y contrapisos de madera contrachapada hasta botellas de agua, camisas resistentes a las arrugas y combustibles diesel. También es una sustancia química utilizada en la fabricación de anticongelantes, líquido de lavado de parabrisas, solventes y otros productos. Nuevos catalizadoresSong está desarrollando activamente para convertir el dióxido de carbono en una serie de productos químicos, combustibles y materiales industrialmente útiles, como los plásticos, a través del Centro Conjunto Penn State-Dalian para la Investigación de la Energía.
Song dijo que la creación eficiente de combustibles y productos químicos industriales a partir de dióxido de carbono utilizando energía renovable se considera el santo grial para combatir el cambio climático porque los combustibles son incluso mejores que los combustibles neutrales en carbono o renovables. El proceso esencialmente convierte los gases de efecto invernadero en combustibles que emiten carbonodióxido de carbono cuando se quema. Este proceso, cuando se combina con la captura de dióxido de carbono del medio ambiente, equivale a reciclar el dióxido de carbono en lugar de crearlo o evitarlo.
"Nuestro sistema energético actual depende en gran medida de las energías fósiles basadas en el carbono", dijo Song. "Incluso los combustibles renovables como la biomasa, el biogás y los desechos orgánicos, todos están basados en el carbono. Pero en el futuro, ¿de dónde viene el carbono?Si comenzamos a usar carbono del dióxido de carbono, podemos reciclarlo, crear un ciclo de energía sostenible basado en el carbono, y luego estabilizar la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Por eso me apasiona esto ".
El equipo de investigación incluye a Xiaowa Nie y Xinwen Guo, profesores de ingeniería química en la Universidad Tecnológica de Dalian; Xiao Jiang, académico postdoctoral que trabaja con Song; y Michael Janik, profesor de ingeniería química, Penn State.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Original escrito por David Kubarek. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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