07.08.2020 - Argonne National Laboratory

Convertir el dióxido de carbono en combustible líquido

El nuevo electrocatalizador convierte eficientemente el dióxido de carbono en etanol

Los catalizadores aceleran las reacciones químicas y forman la columna vertebral de muchos procesos industriales. Por ejemplo, son esenciales para transformar el petróleo pesado en gasolina o combustible para aviones. Hoy en día, los catalizadores participan en más del 80 por ciento de todos los productos manufacturados.

Un equipo de investigación, dirigido por el Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), en colaboración con la Universidad del Norte de Illinois, ha descubierto un nuevo electrocatalizador que convierte el dióxido de carbono (CO2) y el agua en etanol con una eficiencia energética muy alta, una gran selectividad para el producto final deseado y un bajo costo. El etanol es un producto particularmente deseable porque es un ingrediente de casi toda la gasolina de los Estados Unidos y se utiliza ampliamente como producto intermedio en las industrias química, farmacéutica y cosmética.

"El proceso resultante de nuestro catalizador contribuiría a la economía circular del carbono, que implica la reutilización del dióxido de carbono", dijo Di-Jia Liu, químico principal de la división de Ciencias Químicas e Ingeniería de Argonne y científico de UChicago CASE en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. Este proceso lo haría convirtiendo electroquímicamente el CO2 emitido por los procesos industriales, como las centrales eléctricas de combustible fósil o las plantas de fermentación de alcohol, en mercancías valiosas a un costo razonable.

El catalizador del equipo consiste en cobre dispersado atómicamente en un soporte de polvo de carbón. Mediante una reacción electroquímica, este catalizador descompone las moléculas de CO2 y de agua y las vuelve a ensamblar selectivamente en etanol bajo un campo eléctrico externo. La selectividad electrocatalítica, o "eficiencia faradaíca" del proceso es de más del 90 por ciento, mucho mayor que cualquier otro proceso reportado. Es más, el catalizador funciona de forma estable durante una operación prolongada a bajo voltaje.

"Con esta investigación, hemos descubierto un nuevo mecanismo catalítico para convertir el dióxido de carbono y el agua en etanol", dijo Tao Xu, profesor de química física y nanotecnología de la Universidad del Norte de Illinois. "El mecanismo también debería proporcionar una base para el desarrollo de electrocatalizadores altamente eficientes para la conversión de dióxido de carbono en una amplia gama de productos químicos de valor añadido".

Debido a que el CO2 es una molécula estable, transformarlo en una molécula diferente es normalmente intensivo en energía y costoso. Sin embargo, según Liu, "Podríamos acoplar el proceso electroquímico de conversión de CO2 a etanol usando nuestro catalizador a la red eléctrica y aprovechar la electricidad de bajo costo disponible de fuentes renovables como la solar y la eólica durante las horas de menor consumo". Debido a que el proceso funciona a baja temperatura y presión, puede comenzar y detenerse rápidamente en respuesta al suministro intermitente de la electricidad renovable.

La investigación del equipo se benefició de dos instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Argonne - la Fuente Avanzada de Fotones (APS) y el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) - así como el Centro de Recursos de Computación de Laboratorio de Argonne (LCRC). "Gracias al alto flujo de fotones de los haces de rayos X en la APS, hemos capturado los cambios estructurales del catalizador durante la reacción electroquímica", dijo Tao Li, un profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad del Norte de Illinois y un científico asistente en la división de Ciencia de Rayos X de Argonne. Estos datos, junto con la microscopía electrónica de alta resolución en el CNM y el modelado computacional utilizando el LCRC, revelaron una transformación reversible del cobre dispersado atómicamente a grupos de tres átomos de cobre cada uno al aplicar un bajo voltaje. La catálisis de CO2 a etanol se produce en estos diminutos clusters de cobre. Este hallazgo está arrojando luz sobre las formas de mejorar aún más el catalizador a través de un diseño racional.

"Hemos preparado varios catalizadores nuevos usando este enfoque y hemos encontrado que todos ellos son altamente eficientes en la conversión de CO2 a otros hidrocarburos", dijo Liu. "Planeamos continuar esta investigación en colaboración con la industria para avanzar en esta prometedora tecnología".

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