Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Columbia han desarrollado un método para convertir dióxido de carbono (CO2), un potente gas de efecto invernadero, en nanofibras de carbono, un material con una amplia gama de propiedades únicas y muchos usos potenciales a largo plazo. Su estrategia es explotar reacciones electroquímicas y termoquímicas en serie, operando a temperaturas y presiones ambientales relativamente bajas.

Como describen los científicos en la revista Nature Catalysis, este enfoque podría bloquear con éxito el carbono en una forma sólida útil, compensando así o incluso logrando emisiones de carbono negativas.

Jingguang Chen, profesor de ingeniería química de la Universidad de Columbia que dirigió la investigación, dijo: "Podemos poner nanofibras de carbono en el cemento para mejorar su resistencia. Esto bloqueará el carbono en el hormigón durante al menos 50 años, tal vez más. Para entonces, el mundo debería cambiar principalmente a fuentes de energía renovables que no emitan carbono".

Además, el proceso produce hidrógeno (H2), un combustible alternativo prometedor que produce cero emisiones cuando se utiliza.

La estrategia de producción de CNF en tándem electrocatalítico-termocatalítico evita las limitaciones termodinámicas al combinar la conversión coelectrolítica de CO2 y agua en gas de síntesis (CO y H2) con procesos termoquímicos posteriores en condiciones suaves (370-450°C, presión ambiente). Esto da como resultado una mayor productividad de CNF. La sinergia óptima de la aleación de hierro-cobalto (FeCo) y el metal adicional Co mejora la activación de la disociación del gas de síntesis y promueve la formación de enlaces carbono-carbono para producir CNF. Fuente: ZhenhuaXie/Laboratorio Nacional de Brookhaven y Universidad de Columbia

capturar o convertir carbono

La idea de capturar dióxido de carbono o convertirlo en otros materiales para combatir el cambio climático no es nueva. Pero el simple hecho de almacenar dióxido de carbono puede provocar fugas. Y muchos proyectos de conversión de CO2 producen productos químicos o combustibles a base de carbono que se utilizan inmediatamente, lo que libera CO2 a la atmósfera.

"La novedad de este trabajo es que estamos intentando convertir el dióxido de carbono en sustancias sólidas útiles con valor añadido", afirmó Chen.

Este material de carbono sólido, que incluye nanotubos y nanofibras de carbono que miden apenas una milmillonésima de metro, tiene muchas propiedades atractivas, como resistencia y conductividad térmica y eléctrica. Pero extraer carbono del dióxido de carbono y ensamblarlo en estas delicadas estructuras no es una tarea fácil. Un proceso impulsado térmicamente directamente requiere temperaturas superiores a los 1.000 grados Celsius.

Esto es muy poco realista para la mitigación a gran escala de las emisiones de dióxido de carbono. Por el contrario, los investigadores descubrieron un proceso que puede ocurrir a temperaturas de unos 400 grados centígrados, una temperatura más práctica y alcanzable industrialmente.

La microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución muestra las puntas de las nanofibras de carbono producidas en un catalizador térmico de óxido de hierro-cobalto/cerio (FeCo/CeO2) (izquierda). Los científicos utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), imágenes de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) para mapear la estructura y composición química de las nanofibras de carbono recién formadas (derecha) (la barra de escala representa 8 nanómetros). La imagen muestra que las nanofibras están hechas de carbono (C) y muestra que los metales catalíticos hierro (Fe) y cobalto (Co) se alejan de la superficie catalítica y se acumulan en las puntas de las nanofibras. Fuente: Centro de Nanomateriales Funcionales/Laboratorio Nacional de Brookhaven

Método de dos pasos en serie.

El truco consiste en dividir la reacción en etapas y utilizar dos tipos diferentes de catalizadores: materiales que faciliten que las moléculas se unan y reaccionen.

"Si se divide la reacción en pasos de subreacción, se puede considerar el uso de diferentes tipos de aportes de energía y catalizadores para que cada parte de la reacción funcione", dijo Zhenhua Xie, primer autor del artículo e investigador científico en el Laboratorio Brookhaven y la Universidad de Columbia.

Los científicos se dieron cuenta por primera vez de que el monóxido de carbono (CO) era un mejor material de partida que el dióxido de carbono para fabricar nanofibras de carbono (CNF). Luego trabajaron hacia atrás para encontrar la forma más eficiente de generar monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono.

El trabajo anterior de su grupo los llevó a utilizar un electrocatalizador disponible comercialmente hecho de paladio soportado sobre carbono. Los electrocatalizadores utilizan corriente eléctrica para impulsar reacciones químicas. Bajo la acción de electrones y protones, el catalizador separa el dióxido de carbono y el agua (H2O) en dióxido de carbono y H2.

En un segundo paso, los científicos utilizaron un catalizador térmico activado por calor fabricado a partir de una aleación de hierro y cobalto. El catalizador opera a unos 400 grados Celsius, mucho menos de lo necesario para convertir directamente el dióxido de carbono en naftalenos clorados. También descubrieron que agregar algo de cobalto metálico adicional aceleraba enormemente la formación de nanofibras de carbono.

"Al combinar la electrocatálisis y la catálisis térmica, utilizamos este proceso en tándem para lograr efectos que no se pueden lograr con ninguno de los procesos", dijo Chen.

Caracterización del catalizador

Para explorar los detalles de cómo funcionan estos catalizadores, los científicos realizaron numerosos experimentos. Los experimentos incluyen estudios de modelado computacional en la Fuente Nacional de Luz de Radiación Sincrotrón II (NSLS-II) del Laboratorio Brookhaven (utilizando las líneas de luz de Absorción y Dispersión Rápida de Rayos X (QAS) y Espectroscopía de la Capa Interna (ISS), estudios de caracterización física y química e imágenes de microscopía en las instalaciones de microscopía electrónica en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del laboratorio.

En términos de modelado, los científicos utilizaron cálculos de la "teoría funcional de la densidad" (DFT) para analizar la disposición atómica y otras características del catalizador mientras interactúa con el entorno químico activo.

"Estamos estudiando la estructura del catalizador para determinar la fase estable del catalizador en condiciones de reacción", explica el coautor del estudio Ping Liu del Departamento de Cultura de Brookfield, quien dirigió los cálculos. "Estamos estudiando los sitios activos y cómo estos sitios se unen a los intermediarios de la reacción. Al identificar las barreras o los estados de transición de un paso a otro, podemos entender exactamente cómo funciona el catalizador durante la reacción".

Los experimentos de difracción y absorción de rayos X realizados en NSLS-II rastrearon los cambios físicos y químicos del catalizador durante la reacción. Por ejemplo, los rayos X de sincrotrón revelaron cómo la presencia de una corriente eléctrica convierte el metal paladio del catalizador en hidruro de paladio, un metal clave para producir H2 y CO en la primera etapa de reacción.

Para la segunda etapa, "queremos saber cuál es la estructura del sistema hierro-cobalto bajo las condiciones de reacción y cómo optimizar el catalizador hierro-cobalto", dijo Xie. Los experimentos de rayos X confirmaron que estaba presente una aleación de hierro y cobalto, así como algo de cobalto metálico adicional, que era necesaria para convertir el monóxido de carbono en nanofibras de carbono. Los dos funcionan a su vez y los cálculos DFT ayudan a explicar el proceso.

"Según nuestra investigación, los sitios de cobalto-hierro en la aleación ayudan a romper los enlaces C-O del monóxido de carbono. Esto hace que el carbono atómico sea una fuente a partir de la cual construir nanofibras de carbono", explicó: "El cobalto adicional ayuda a formar los enlaces C-C que conectan los átomos de carbono".

Reciclable, carbono negativo.

El análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) realizado en CFN reveló la morfología, estructura cristalina y distribución elemental de nanofibras de carbono con y sin catalizadores.

Las imágenes muestran que a medida que crecen las nanofibras de carbono, el catalizador es empujado hacia arriba y lejos de la superficie. Esto facilita el reciclaje de metales catalíticos, utilizando ácidos para lixiviar los metales sin destruir las nanofibras de carbono, lo que permite concentrar y recuperar los metales para usarlos nuevamente como catalizadores.

Los investigadores dicen que la facilidad de reciclaje del catalizador, la disponibilidad comercial del catalizador y las condiciones de reacción relativamente suaves de la segunda reacción contribuyen a una evaluación favorable de la energía y otros costos relacionados del proceso.

"Para aplicaciones prácticas, tanto el análisis de la huella de dióxido de carbono como la reciclabilidad del catalizador son muy importantes", afirmó Chen. "Nuestros resultados técnicos y estos otros análisis muestran que esta estrategia en tándem abre la puerta a la descarbonización del CO2 en valiosos productos de secuestro de carbono y al mismo tiempo se produce H2 renovable".

Si estos procesos funcionan con energía renovable, los resultados serán verdaderamente negativos en carbono, lo que abrirá nuevas oportunidades para la reducción de CO2.

Compilado de /ScitechDaily