Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Toronto han desarrollado un nuevo catalizador que convierte eficientemente el carbono capturado en productos valiosos como etileno y etanol, incluso en presencia de contaminantes de óxido de azufre. El avance ofrece un enfoque más viable económicamente para la captura y mejora de carbono, transformando potencialmente industrias como las de fabricación de acero y cemento al permitirles convertir el dióxido de carbono de los flujos de desechos de manera más eficiente.
Los catalizadores electroquímicos que convierten el dióxido de carbono en productos valiosos podrían resistir las impurezas que envenenan las versiones actuales. Un nuevo catalizador mejora la conversión del carbono capturado en productos comerciales, manteniendo una alta eficiencia a pesar de la presencia de impurezas de óxido de azufre. Esta innovación podría reducir significativamente el costo y los requisitos energéticos de la tecnología de captura de carbono, con implicaciones para la industria pesada.
Un catalizador recientemente diseñado por investigadores del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Toronto puede convertir eficientemente el carbono capturado en productos valiosos, incluso cuando el rendimiento de los catalizadores existentes se degrada en presencia de contaminantes.
El descubrimiento es un paso importante hacia una tecnología de captura y almacenamiento de carbono más económica que pueda agregarse a los procesos industriales existentes.
El profesor David Sinton, autor principal de un artículo publicado en Nature Energy el 4 de julio, dijo: "Hoy tenemos más y mejores opciones de generación de energía con bajas emisiones de carbono que nunca. Pero hay algunos sectores de la economía que serán más difíciles de descarbonizar: la fabricación de acero y cemento, por ejemplo. Para ayudar a estas industrias, necesitamos inventar formas rentables de capturar y mejorar el carbono en sus flujos de residuos".
Hinton y su equipo utilizan dispositivos llamados electrolizadores para convertir el dióxido de carbono y la electricidad en productos como etileno y etanol. Estas moléculas a base de carbono pueden venderse como combustible o utilizarse como materia prima química para fabricar productos cotidianos como los plásticos.
En un electrolizador, se produce una reacción de conversión cuando tres elementos (dióxido de carbono gaseoso, electrones y un electrolito líquido a base de agua) se juntan en la superficie de un catalizador sólido.
Los catalizadores suelen estar hechos de cobre, pero también pueden contener otros metales o compuestos orgánicos, lo que mejora aún más el sistema. La función del catalizador es acelerar la reacción y minimizar la producción de subproductos indeseables como el hidrógeno, que reducen la eficiencia del proceso general.
Si bien muchos grupos en todo el mundo han producido catalizadores de alto rendimiento, casi todos han sido diseñados para alimentaciones de CO2 puro. Sin embargo, si el carbono en cuestión proviene de la pila, es probable que la alimentación no sea pura.
"A los diseñadores de catalizadores generalmente no les gusta lidiar con impurezas, y eso tiene sentido", dijo Panos Papangelakis, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y uno de los cinco coautores del nuevo artículo. "Los óxidos de azufre, como el dióxido de azufre, pueden unirse a la superficie del catalizador y envenenarlo. "Esto reduce el número de sitios donde el dióxido de carbono puede reaccionar y también puede formar sustancias químicas que no se desean. Esto sucede muy rápidamente: algunos catalizadores pueden durar cientos de horas con alimentación pura, y en cuestión de minutos su eficiencia cae al 5% si se introducen estas impurezas".
Si bien existen métodos bien establecidos para eliminar las impurezas de los gases residuales ricos en CO2 antes de introducirlos en los electrolizadores, estos métodos consumen mucho tiempo, consumen mucha energía y aumentan el costo de la captura y mejora del carbono. Además, cuando se trata de dióxido de azufre, incluso una pequeña cantidad puede causar un gran problema.
"Incluso si se reduce la concentración de gases residuales a menos de 10 partes por millón, o 0,001% de la alimentación, el catalizador seguirá envenenado en 2 horas", dijo Papangelakis.
En el artículo, el equipo describe cómo diseñaron un catalizador más resistente que puede resistir el dióxido de azufre realizando dos cambios clave en los catalizadores típicos a base de cobre.
En un lado del catalizador, agregaron una fina capa de politetrafluoroetileno (también conocido como teflón). Este material antiadherente cambia las propiedades químicas de la superficie del catalizador e impide que se produzca la reacción de envenenamiento por dióxido de azufre.
Por otro lado, añadieron una capa de Nafion, un polímero conductor que se utiliza a menudo en las pilas de combustible. Este material poroso complejo contiene algunas regiones hidrófilas, que absorben agua, y otras regiones hidrófobas, que repelen el agua. Esta estructura dificulta que el dióxido de azufre llegue a la superficie del catalizador.
Luego, el equipo añadió al catalizador una mezcla de dióxido de carbono y dióxido de azufre, que tiene una concentración de aproximadamente 400 partes por millón y es típica de los flujos de residuos industriales. Incluso en condiciones tan duras, el nuevo catalizador funcionó excepcionalmente bien.
"En el artículo, informamos una eficiencia faradaica (una medida de cuántos electrones terminan en el producto deseado) del 50%, y pudimos mantener esa eficiencia durante 150 horas", dijo Papangelakis. "Algunos catalizadores pueden comenzar con una eficiencia más alta, tal vez del 75% o del 80%. Pero, de nuevo, si los expones al dióxido de azufre, en cuestión de minutos o, como máximo, horas, la eficiencia cae a casi cero. Pudimos resistir eso".
Debido a que el método de su equipo no afecta la composición del catalizador en sí, podría usarse ampliamente. En otras palabras, los equipos que hayan perfeccionado catalizadores de alto rendimiento deberían poder utilizar recubrimientos similares para resistir el envenenamiento por óxidos de azufre. Si bien los óxidos de azufre son las impurezas más desafiantes en los flujos de desechos típicos, no son las únicas impurezas, y los próximos pasos que investigará el equipo son el conjunto completo de contaminantes químicos.
"Hay muchas otras impurezas a considerar, como óxidos de nitrógeno, oxígeno, etc. Pero el hecho de que este método funcione tan bien con óxidos de azufre es muy prometedor. Antes de este trabajo, se daba por sentado que las impurezas debían eliminarse antes de mejorar el CO2. Lo que hemos demostrado es que puede haber una manera diferente de tratarlas, y eso abre muchas posibilidades nuevas", dijo Papangelakis.
Compilado de /ScitechDaily