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2021-01-27Aumentar la eficiencia de los sistemas de captura y conversión de carbono

MIT |Un nuevo diseño podría acelerar la velocidad de reacción de los sistemas electroquímicos para extraer el carbono de las emisiones de las centrales eléctricas.

Los sistemas para capturar y convertir el dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas podrían ser herramientas importantes para frenar el cambio climático, pero la mayoría son relativamente ineficaces y caros. Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un método que podría aumentar considerablemente el rendimiento de los sistemas que utilizan superficies catalíticas para mejorar la velocidad de las reacciones electroquímicas de captura de carbono.

Estos sistemas catalíticos son una opción atractiva para la captura de carbono porque pueden producir productos útiles y valiosos, como combustibles para el transporte o materias primas químicas. Esta producción puede ayudar a subvencionar el proceso, compensando los costes de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

En estos sistemas, normalmente una corriente de gas que contiene dióxido de carbono pasa a través del agua para entregar el dióxido de carbono para la reacción electroquímica. El movimiento a través del agua es lento, lo que reduce el ritmo de conversión del dióxido de carbono. El nuevo diseño garantiza que la corriente de dióxido de carbono permanezca concentrada en el agua justo al lado de la superficie del catalizador. Los investigadores han demostrado que esta concentración puede casi duplicar el rendimiento del sistema.

Los resultados se describen hoy en la revista Cell Reports Physical Science en un trabajo realizado por el postdoctorado del MIT Sami Khan PhD ´19, que ahora es profesor asistente en la Universidad Simon Fraser, junto con los profesores de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi y Yang Shao-Horn, y el recién graduado Jonathan Hwang PhD ´19.

"El secuestro del dióxido de carbono es el reto de nuestro tiempo", afirma Varanasi. Hay varios enfoques, como el secuestro geológico, el almacenamiento en el océano, la mineralización y la conversión química. La conversión electroquímica es especialmente prometedora cuando se trata de fabricar productos útiles y vendibles a partir de este gas de efecto invernadero, pero aún necesita mejoras para ser económicamente viable. "El objetivo de nuestro trabajo era entender cuál es el gran cuello de botella en este proceso y mejorar o mitigar ese cuello de botella", dice.

Los investigadores descubrieron que el cuello de botella era el suministro de dióxido de carbono a la superficie catalítica que promueve las transformaciones químicas deseadas. En estos sistemas electroquímicos, la corriente de gases que contienen dióxido de carbono se mezcla con agua, ya sea a presión o haciéndola pasar por un recipiente equipado con electrodos de un material catalizador como el cobre.  A continuación se aplica un voltaje para promover reacciones químicas que produzcan compuestos de carbono que puedan transformarse en combustibles u otros productos.

Estos sistemas plantean dos problemas: La reacción puede ser tan rápida que agote el suministro de dióxido de carbono que llega al catalizador más rápidamente de lo que se puede reponer; y si eso ocurre, una reacción competidora -la división del agua en hidrógeno y oxígeno- puede tomar el relevo y restar gran parte de la energía que se dedica a la reacción.

Los esfuerzos anteriores por optimizar estas reacciones texturizando las superficies de los catalizadores para aumentar la superficie de las reacciones no habían cumplido sus expectativas, porque el suministro de dióxido de carbono a la superficie no podía seguir el ritmo del aumento de la velocidad de reacción, con lo que se pasaba a la producción de hidrógeno con el tiempo.

Los investigadores abordaron estos problemas mediante el uso de una superficie que atrae el gas colocada muy cerca del material del catalizador. Este material es un material especialmente texturizado, "gasfílico" y superhidrofóbico, que repele el agua pero permite que una capa suave de gas, llamada plastrón, permanezca cerca a lo largo de su superficie. Mantiene el flujo entrante de dióxido de carbono justo contra el catalizador para que las reacciones de conversión de dióxido de carbono deseadas puedan ser maximizadas.

Captura de carbono


A la izquierda, una burbuja choca con una superficie especialmente texturizada que atrae el gas y se extiende por la superficie, mientras que a la derecha una burbuja choca con una superficie no tratada y simplemente rebota. La superficie tratada se utiliza en el nuevo trabajo para mantener el dióxido de carbono cerca de un catalizador. Crédito: Varanasi Research Group

Mediante el uso de indicadores de pH basados en colorantes, los investigadores pudieron visualizar los gradientes de concentración de dióxido de carbono en la celda de prueba y demostrar que la mayor concentración de dióxido de carbono emana del plastrón.



Aquí se utilizan tintes para revelar los niveles de concentración de dióxido de carbono en el agua. El verde muestra las zonas en las que el dióxido de carbono está más concentrado, y el azul las zonas en las que está agotado. La región verde de la izquierda muestra que el dióxido de carbono permanece concentrado junto al catalizador, gracias al material que atrae el gas. Crédito: Varanasi Research Group


En una serie de experimentos de laboratorio en los que se utilizó este sistema, la velocidad de la reacción de conversión del carbono casi se duplicó. Además, se mantuvo en el tiempo, mientras que en experimentos anteriores la reacción se desvanecía rápidamente. El sistema produjo altas tasas de etileno, propanol y etanol, un potencial combustible para automóviles. Mientras tanto, la evolución del hidrógeno en competencia se redujo drásticamente. Aunque el nuevo trabajo permite afinar el sistema para producir la mezcla de productos deseada, en algunas aplicaciones el resultado deseado podría ser la optimización para la producción de hidrógeno como combustible, algo que también puede hacerse.

"La métrica importante es la selectividad", dice Khan, refiriéndose a la capacidad de generar compuestos valiosos que serán producidos por una mezcla determinada de materiales, texturas y voltajes, y de ajustar la configuración según el resultado deseado.

Al concentrar el dióxido de carbono junto a la superficie del catalizador, el nuevo sistema también produjo dos nuevos compuestos de carbono potencialmente útiles, la acetona y el acetato, que no se habían detectado anteriormente en ningún sistema electroquímico de este tipo a tasas apreciables.

En este trabajo inicial de laboratorio, se colocó una sola tira del material hidrofóbico que atrae los gases junto a un único electrodo de cobre, pero en futuros trabajos se podría fabricar un dispositivo práctico utilizando un conjunto denso de pares de placas intercaladas, sugiere Varanasi.

En comparación con los trabajos anteriores sobre la reducción electroquímica del carbono con catalizadores de nanoestructura, dice Varanasi, "los superamos significativamente a todos, porque aunque es el mismo catalizador, es la forma en que estamos entregando el dióxido de carbono lo que cambia el juego".

"Se trata de una forma completamente innovadora de introducir el dióxido de carbono en un electrolizador", afirma Ifan Stephens, profesor de ingeniería de materiales del Imperial College de Londres, que no ha participado en esta investigación. "Los autores trasladan conceptos de mecánica de fluidos utilizados en la industria del petróleo y el gas a la producción de combustible electrolítico. Creo que este tipo de fertilización cruzada de diferentes campos es muy emocionante".

Stephens añade: "La reducción del dióxido de carbono tiene un gran potencial como forma de fabricar productos químicos de plataforma, como el etileno, a partir de residuos de electricidad, agua y dióxido de carbono. En la actualidad, el etileno se forma mediante el craqueo de hidrocarburos de cadena larga procedentes de combustibles fósiles; su producción emite grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera. Este método podría conducir a una reducción más eficiente del dióxido de carbono, lo que podría alejar a nuestra sociedad de nuestra actual dependencia de los combustibles fósiles".

La investigación ha contado con el apoyo de la empresa energética italiana Eni S.p.A a través de la Iniciativa de Energía del MIT, y con una beca de postgrado NSERC PGS-D de Canadá.
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