Un nuevo catalizador creado por investigadores de U of T Engineering los acerca un paso más a la fotosíntesis artificial, un sistema que, al igual que las plantas, usaría energía renovable para convertir dióxido de carbono CO 2 en energía química almacenada.Al capturar las emisiones de carbono y almacenar energía de la energía solar o eólica, la invención proporciona un doble golpe en la lucha contra el cambio climático.
"La captura de carbono y las energías renovables son dos tecnologías prometedoras, pero hay problemas", dice Phil De Luna, uno de los autores principales de un artículo publicado hoy en Química de la naturaleza . "La tecnología de captura de carbono es costosa, y la energía solar y eólica son intermitentes. Puede usar baterías para almacenar energía, pero una batería no alimentará un avión a través del Atlántico ni calentará una casa todo el invierno: para eso ustednecesita combustibles "
De Luna y sus coautores principales, Xueli Zheng y Bo Zhang, que realizaron su trabajo bajo la supervisión del profesor Ted Sargent, tienen como objetivo abordar ambos desafíos a la vez, y buscan inspiración en la naturaleza. Están diseñandoun sistema artificial que imita cómo las plantas y otros organismos fotosintéticos usan la luz solar para convertir el CO 2 y agua en moléculas que los humanos pueden usar luego como combustible.
Al igual que en las plantas, su sistema consta de dos reacciones químicas vinculadas: una que divide H 2 O en protones y gas oxígeno, y otro que convierte CO 2 en monóxido de carbono o CO. El CO se puede convertir en combustibles de hidrocarburos a través de un proceso industrial establecido llamado síntesis de Fischer-Tropsch.
"En los últimos años, nuestro equipo ha desarrollado catalizadores de muy alto rendimiento tanto para la primera como para la segunda reacción", dice Zhang, quien contribuyó al trabajo mientras era becario postdoctoral en U of T y ahora esprofesor de la Universidad de Fudan. "Pero aunque el segundo catalizador funciona en condiciones neutras, el primer catalizador requiere altos niveles de pH para ser más activo".
Eso significa que cuando los dos se combinan, el proceso general no es tan eficiente como podría ser, ya que se pierde energía al mover partículas cargadas entre las dos partes del sistema.
El equipo ahora ha superado este problema desarrollando un nuevo catalizador para la primera reacción: el que divide el agua en protones y oxígeno gaseoso. A diferencia del catalizador anterior, este funciona a pH neutro y en esas condiciones funciona mejorque cualquier otro catalizador previamente informado.
"Tiene un potencial demasiado bajo, lo que significa que se necesita menos energía eléctrica para impulsar la reacción", dice Zheng, quien ahora es un académico postdoctoral en la Universidad de Stanford. "Además de eso, tener un catalizador que pueda funcionar en elmismo pH neutro que el CO 2 la reacción de conversión reduce el potencial general de la célula ".
En el documento, el equipo informa que la eficiencia general de conversión de energía eléctrica a química del sistema es del 64%. Según De Luna, este es el valor más alto jamás alcanzado para dicho sistema, incluido el anterior, quesolo alcanzó el 54 por ciento.
El nuevo catalizador está hecho de níquel, hierro, cobalto y fósforo, todos los elementos que son de bajo costo y presentan pocos riesgos de seguridad. Se puede sintetizar a temperatura ambiente usando un equipo relativamente económico, y el equipo demostró que se mantuvo estable comosiempre que lo hayan probado, un total de 100 horas.
Armado con su catalizador mejorado, el laboratorio Sargent ahora está trabajando para construir su sistema de fotosíntesis artificial a escala piloto. El objetivo es capturar CO 2 de los gases de combustión, por ejemplo, de una central eléctrica de combustión de gas natural, y use el sistema catalítico para convertirlo eficientemente en combustibles líquidos.
"Tenemos que determinar las condiciones de operación correctas: velocidad de flujo, concentración de electrolito, potencial eléctrico", dice De Luna. "De ahora en adelante, todo es ingeniería".
El equipo y su invención son semifinalistas en el NRG COSIA Carbon XPRIZE, un desafío de $ 20 millones para "desarrollar tecnologías innovadoras que conviertan las emisiones de CO? De plantas de energía e instalaciones industriales en productos valiosos"
El proyecto fue el resultado de una colaboración internacional y multidisciplinaria. La Fuente de Luz Canadiense en Saskatchewan proporcionó los rayos X de alta energía utilizados para sondear las propiedades electrónicas del catalizador. La Fundición Molecular en el Lawrence Berkeley National del Departamento de Energía de EE. UU.El laboratorio realizó trabajos de modelado teórico. El Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería, la Fundación de Canadá para la Innovación, la Universidad de Tianjin, la Universidad de Fudan y la Fuente de Luz de Beijing proporcionaron apoyo financiero y en especie.
En cuanto a lo que lo ha mantenido motivado durante todo el proyecto, De Luna señala la oportunidad de tener un impacto en algunos de los mayores desafíos ambientales de la sociedad.
"Ver el rápido avance dentro del campo ha sido extremadamente emocionante", dice. "En cada conferencia semanal o mensual que tenemos en nuestro laboratorio, la gente está rompiendo récords de izquierda a derecha. Todavía hay mucho espacio para crecer, pero realmente disfruto la investigación, y las emisiones de carbono son tan importantes que cualquier mejora se siente como un logro real ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto . Original escrito por Tyler Irving. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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