Imagine un día en el que, en lugar de arrojarse a la atmósfera, los gases provenientes de las centrales eléctricas y la industria pesada son capturados y alimentados en reactores catalíticos que transforman químicamente los gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono en combustibles industriales o químicos y que emitensolo oxígeno.
Es un futuro que Haotian Wang dice que puede estar más cerca de lo que muchos creen.
Un miembro del Instituto Rowland de Harvard, Wang y sus colegas han desarrollado un sistema mejorado para usar electricidad renovable para reducir el dióxido de carbono en monóxido de carbono, un producto clave utilizado en una serie de procesos industriales. El sistema se describe en noviembre8 trabajos publicados en julio , una revista hermana recién lanzada de Cell press.
"La idea más prometedora puede ser conectar estos dispositivos con centrales eléctricas de carbón u otra industria que produzca mucho CO 2 ", dijo Wang." Alrededor del 20 por ciento de esos gases son CO 2 , por lo que si puede bombearlos a esta celda ... y combinarlo con electricidad limpia, entonces potencialmente podemos producir químicos útiles a partir de estos desechos de una manera sostenible, e incluso cerrar parte de ese CO 2 ciclo "
El nuevo sistema, dijo Wang, representa un dramático paso adelante del que él y sus colegas describieron por primera vez en un artículo de 2017 en Chem.
Donde ese viejo sistema apenas tenía el tamaño de un teléfono celular y dependía de dos cámaras llenas de electrolitos, cada una de las cuales contenía un electrodo, el nuevo sistema es más barato y depende de altas concentraciones de CO 2 el gas y el vapor de agua operan de manera más eficiente; solo una celda de 10 por 10 centímetros, dijo Wang, puede producir hasta cuatro litros de CO por hora.
El nuevo sistema, dijo Wang, aborda los dos desafíos principales - costo y escalabilidad - que fueron vistos como limitantes del enfoque inicial.
"En ese trabajo anterior, habíamos descubierto los catalizadores de átomos de níquel individuales que son muy selectivos para reducir el CO 2 a CO ... pero uno de los desafíos que enfrentamos fue que los materiales eran caros de sintetizar ", dijo Wang." El soporte que estábamos utilizando para anclar átomos de níquel individuales se basaba en el grafeno, lo que dificultaba mucho la escalasi desea producirlo a gramo o incluso kilogramo para uso práctico en el futuro "
Para abordar ese problema, dijo, su equipo recurrió a un producto comercial que es miles de veces más barato que el grafeno como soporte alternativo: el negro de humo.
Usando un proceso similar a la atracción electrostática, Wang y sus colegas pueden absorber átomos de níquel individuales cargados positivamente en defectos cargados negativamente en nanopartículas de negro de carbón, con el material resultante de bajo costo y altamente selectivo para CO 2 reducción
"En este momento, lo mejor que podemos producir es gramos, pero anteriormente solo podíamos producir miligramos por lote", dijo Wang. "Pero esto solo está limitado por el equipo de síntesis que tenemos; si tuviera un tanque más grande, podríahacer kilogramos o incluso toneladas de este catalizador "
El otro desafío que Wang y sus colegas tuvieron que superar estaba relacionado con el hecho de que el sistema original solo funcionaba en una solución líquida.
El sistema inicial funcionó usando un electrodo en una cámara para dividir las moléculas de agua en oxígeno y protones. A medida que el oxígeno burbujeaba, los protones conducidos a través de la solución líquida se moverían a la segunda cámara, donde, con la ayuda del níquelcatalizador - se unirían con CO 2 y separe la molécula, dejando CO y agua. Ese agua podría volver a introducirse en la primera cámara, donde se dividiría nuevamente, y el proceso comenzaría nuevamente.
"El problema era que, el CO 2 podemos reducir en ese sistema solo aquellos disueltos en agua; la mayoría de las moléculas que rodean al catalizador eran agua ", dijo." Solo había una pequeña cantidad de CO 2 , así que fue bastante ineficiente "
Si bien puede ser tentador simplemente aumentar el voltaje aplicado al catalizador para aumentar la velocidad de reacción, eso puede tener la consecuencia no deseada de dividir el agua, no reducir el CO 2 , dijo Wang
"Si agota el CO 2 eso está cerca del electrodo, otras moléculas tienen que difundirse al electrodo, y eso lleva tiempo ", dijo Wang." Pero si está aumentando el voltaje, es más probable que el agua circundante aproveche la oportunidad para reaccionar ydividido en hidrógeno y oxígeno ".
La solución resultó ser relativamente simple: para evitar dividir el agua, el equipo sacó el catalizador de la solución.
"Reemplazamos el agua líquida con vapor de agua y la alimentamos con CO de alta concentración 2 gas ", dijo." Entonces, si el sistema anterior tenía más del 99 por ciento de agua y menos del 1 por ciento de CO 2 , ahora podemos revertir eso por completo y bombear 97 por ciento de CO 2 gas y solo 3 por ciento de vapor de agua en este sistema. Antes, el agua líquida también funciona como conductores de iones en el sistema, y ahora usamos membranas de intercambio iónico para ayudar a los iones a moverse sin agua líquida.
"El impacto es que podemos entregar un orden de magnitud mayor densidad de corriente", continuó. "Anteriormente, estábamos operando a unos diez miliamperios por centímetro cuadrado, pero hoy podemos aumentar fácilmente hasta 100 miliamperios".
En el futuro, dijo Wang, el sistema aún tiene desafíos que superar, particularmente en relación con la estabilidad.
"Si quiere usar esto para tener un impacto económico o ambiental, necesita tener operaciones continuas de miles de horas", dijo. "En este momento, podemos hacer esto durante decenas de horas, así que todavía hay ungran brecha, pero creo que esos problemas pueden abordarse con un análisis más detallado de ambos CO 2 catalizador de reducción y el catalizador de oxidación de agua ".
En última instancia, dijo Wang, puede llegar el día en que la industria pueda capturar el CO 2 que ahora se libera a la atmósfera y lo transforma en productos útiles.
"El monóxido de carbono no es un producto químico de valor particularmente alto", dijo Wang. "Para explorar más posibilidades, mi grupo también ha desarrollado varios catalizadores a base de cobre que pueden reducir aún más el CO 2 en productos que son mucho más valiosos ".
Wang reconoció la libertad que disfrutó en el Instituto Rowland por ayudarlo a lograr avances como el nuevo sistema.
"Rowland me ha proporcionado, como investigador de carrera temprana, una gran plataforma para la investigación independiente, que inicia una gran parte de las direcciones de investigación que mi grupo seguirá impulsando", dijo Wang, quien recientemente aceptó un puesto en la Universidad de Rice"Definitivamente voy a extrañar mis días aquí".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Harvard . Original escrito por Peter Reuell. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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