Las celdas de combustible convierten los químicos en electricidad. Ahora, un equipo de ingeniería de la Universidad de Toronto ha adaptado la tecnología de las celdas de combustible para hacer lo contrario: aprovechar la electricidad para producir químicos valiosos a partir del carbono residual CO 2 .
"Durante décadas, investigadores talentosos han estado desarrollando sistemas que convierten la electricidad en hidrógeno y viceversa", dice el profesor Ted Sargent, uno de los autores principales del artículo publicado en ciencia . "Nuestra innovación se basa en ese legado, pero mediante el uso de moléculas basadas en el carbono, podemos conectarnos directamente a la infraestructura de hidrocarburos existente".
En una celda de combustible de hidrógeno, el hidrógeno y el oxígeno se unen en la superficie de un catalizador. La reacción química libera electrones, que son capturados por materiales especializados dentro de la celda de combustible y bombeados a un circuito.
Lo opuesto a una celda de combustible es un electrolizador, que utiliza electricidad para impulsar una reacción química. Los autores del artículo son expertos en el diseño de electrolizadores que convierten el CO 2 en otras moléculas basadas en el carbono, como el etileno. El equipo incluye al candidato a doctorado Adnan Ozden, quien es supervisado por el profesor David Sinton, así como a varios miembros del equipo de Sargent, incluido el candidato a doctorado Joshua Wicks, compañero postdoctoral F. Pelayo Garcíade Arquer y ex becario postdoctoral Cao-Thang Dinh.
"El etileno es uno de los productos químicos más producidos en el mundo", dice Wicks. "Se utiliza para fabricar todo, desde anticongelante hasta muebles de jardín. Hoy se deriva de combustibles fósiles, pero si pudiéramos hacerlo mejorando los desechosCO 2 , proporcionaría un nuevo incentivo económico para capturar carbono "
Los electrolizadores de hoy todavía no producen etileno en una escala lo suficientemente grande como para competir con lo que se deriva de los combustibles fósiles. Parte del desafío radica en la naturaleza única de la reacción química que transforma el CO 2 en etileno y otras moléculas a base de carbono.
"La reacción requiere tres cosas: CO 2 que es un gas; iones de hidrógeno, que provienen del agua líquida; y electrones, que se transmiten a través de un catalizador metálico ", dice Ozden." Trayendo esas tres fases diferentes, especialmente el CO 2 - juntos rápidamente es un desafío, y eso es lo que ha limitado la velocidad de la reacción "
En su último diseño de electrolizadores, el equipo utilizó una disposición única de materiales para superar los desafíos de unir los reactivos. Los electrones se entregan utilizando un catalizador a base de cobre que el equipo había desarrollado previamente. Pero en lugar de una lámina de metal plana, el catalizador en el nuevo electrolizador está en forma de pequeñas partículas incrustadas dentro de una capa de un material conocido como Nafion.
Nafion es un ionómero, un polímero que puede conducir partículas cargadas conocidas como iones. Hoy en día, se usa comúnmente en celdas de combustible, donde su función es transportar iones de hidrógeno H + cargados positivamente dentro del reactor.
"En nuestros experimentos, descubrimos que una determinada disposición de Nafion puede facilitar el transporte de gases como el CO 2 ", dice García de Arquer." Nuestro diseño permite que los reactivos gaseosos lleguen a la superficie del catalizador lo suficientemente rápido y de manera suficientemente distribuida para aumentar significativamente la velocidad de reacción ".
Con la reacción ya no limitada por la rapidez con que los tres reactivos pueden unirse, el equipo pudo transformar el CO 2 en etileno y otros productos 10 veces más rápido que antes. Lo lograron sin reducir la eficiencia general del reactor, lo que significa más producto por aproximadamente el mismo costo de capital.
A pesar del avance, el dispositivo sigue estando muy lejos de la viabilidad comercial. Uno de los principales desafíos pendientes tiene que ver con la estabilidad del catalizador bajo las nuevas densidades de corriente más altas.
"Podemos bombear electrones 10 veces más rápido, lo cual es genial, pero solo podemos operar el sistema durante aproximadamente diez horas antes de que la capa de catalizador se rompa", dice Dinh. "Esto aún está lejos del objetivo de miles de horas".eso sería necesario para la aplicación industrial "
Dinh, quien ahora es profesor de ingeniería química en la Universidad de Queen, continúa el trabajo buscando nuevas estrategias para estabilizar la capa de catalizador, como modificar aún más la estructura química del Nafion o agregar capas adicionales para protegerlo.
Los otros miembros del equipo planean trabajar en diferentes desafíos, como optimizar el catalizador para producir otros productos comercialmente valiosos más allá del etileno.
"Elegimos etileno como ejemplo, pero los principios aquí se pueden aplicar a la síntesis de otros productos químicos valiosos, incluido el etanol", dice Wicks. "Además de sus muchos usos industriales, el etanol también se usa ampliamente como combustible".
La capacidad de producir combustibles, materiales de construcción y otros productos de manera neutral en carbono es un paso importante para reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles.
"Incluso si dejamos de usar el petróleo para obtener energía, todavía necesitaremos todas estas moléculas", dice García de Arquer. "Si podemos producirlas con desechos de CO 2 y energía renovable, podemos tener un impacto importante en términos de descarbonizar nuestra economía "
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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