El CO2 como materia prima sostenible

TU Berlín presenta un electrolizador en tándem para una economía circular con dióxido de carbono

15.05.2024
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Extraer el CO2 del aire o directamente de los gases de escape y convertirlo en valiosos productos químicos con ayuda de la electricidad verde podría contribuir decisivamente a combatir la crisis climática. La clave para ello es la electrólisis (imagen simbólica).

Científicos de la Universidad Técnica de Berlín han presentado una combinación de dos células de electrólisis que pueden convertir directamente el dióxido de carbono junto con el agua en sustancias químicas básicas para la industria química con ayuda de la electricidad. En la primera electrólisis se produce primero monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono, que luego forma hidrocarburos junto con agua en la segunda célula de electrólisis. A diferencia de los costosos catalizadores metálicos que se utilizan habitualmente, aquí se emplea un electrodo de carbono dopado con unos pocos átomos de níquel y nitrógeno, que sólo requiere un contenido metálico inferior al uno por ciento. Además, los investigadores han desarrollado un sistema de diagnóstico que supervisa el estado del electrolizador en tándem durante su funcionamiento, contribuyendo así a una mayor vida útil y a una mejor comprensión de los procesos químicos en las células.

© TU Berlin

Diagrama de reacción del electrolizador en tándem

Extraer dióxido de carbono del aire o directamente de los gases de escape y convertirlo en valiosos productos químicos utilizando electricidad procedente de fuentes de energía renovables parece la forma ideal de combatir la crisis climática. La clave es la electrólisis. Utilizando agua (H2O) y electricidad, se puede reducir el dióxido de carbono(CO2) a monóxido de carbono (CO) prácticamente puro, al tiempo que se produce oxígeno (O2). El monóxido de carbono y el agua adicional pueden reaccionar en un segundo paso para formar hidrocarburos útiles como el etileno, que consiste en cadenas más largas de átomos de carbono e hidrógeno.

Mayor rendimiento y eficiencia energética con las células de electrólisis en tándem

"En el caso de la electrólisis de agua yCO2 a CO y algo de hidrógeno como subproducto, la proporción de CO en la cantidad total de sustancia convertida es mucho mayor que en los procesos térmicos alternativos que utilizan hidrógeno verde yCO2 para producir CO y agua a temperaturas de unos 800 grados", afirma el Prof. Dr. Peter Strasser, Jefe del Departamento de Catálisis Electroquímica, Energía y Ciencias de los Materiales de TU Berlín, al describir las ventajas del método. Para el segundo paso, la producción de sustancias químicas básicas para la industria química a partir de CO y agua, existen varios procesos competidores. "Si este paso también se lleva a cabo electroquímicamente, hasta ahora se ha hecho a menudo en la misma célula de electrólisis en la que se produce el CO. Para garantizar que todos los procesos necesarios puedan tener lugar en secuencia, hay que hacer concesiones con el catalizador y las condiciones químicas, lo que conduce a resultados subóptimos. Por eso utilizamos dos células en tándem, una de las cuales suministra CO, que se convierte directamente en valiosos hidrocarburos en la segunda célula". Dependiendo de la formulación del catalizador, el segundo paso produce hidrocarburos reactivos como etileno, propileno y algo de acetileno, así como compuestos líquidos como metanol, etanol y propanol o acetato.

Se necesita menos metal gracias a un nuevo electrodo de carbono

Peter Strasser y su equipo también abren nuevos caminos con el electrodo que convierte elCO2 en CO. Normalmente se utiliza plata como material catalizador de las reacciones químicas. "No sólo es rara y cara, sino que además puede corroerse y formar películas en la superficie que perjudican su función como catalizador", explica el estudiante de doctorado Sven Brückner, primer autor de la publicación. "Por eso utilizamos un electrodo de carbono en el que se han incorporado átomos de los elementos níquel y nitrógeno como catalizadores en algunos lugares". Como el carbono utilizado es poroso y, por tanto, tiene una gran superficie, y los átomos incorporados mediante un proceso especial sólo se encuentran en la superficie, la proporción de níquel necesaria puede mantenerse extremadamente baja: asciende a menos del uno por ciento del peso total.

"Dado que estos electrodos existen desde hace pocos años y deben optimizarse para cada aplicación, su vida útil y el rendimiento máximo del catalizador siguen siendo objeto de investigación", explica Brückner. Sin embargo, como el electrodo se fabrica a temperaturas más altas que la temperatura de funcionamiento y las demás condiciones químicas durante el funcionamiento son más suaves que durante la producción, es optimista y cree que pronto se podrán conseguir éxitos en este campo. El equipo espera ampliar significativamente la estabilidad de la corriente durante varios cientos de horas.

Herramienta de diagnóstico para optimizar la investigación y prolongar la vida útil

También hay que optimizar otros parámetros de funcionamiento de la célula en tándem. "La proporción de monóxido de carbono y el subproducto hidrógeno en la primera célula depende del valor de pH del electrolito", explica Sven Brückner. Dado que el proceso pretende obtener la mayor cantidad posible de CO como componente básico de los hidrocarburos,la electrólisis de CO2 se lleva a cabo en condiciones alcalinas, que favorecen la formación de monóxido de carbono. "Sin embargo, esto hace que los iones OH del electrolito alcalino reaccionen con elCO2 para formar carbonato, que puede depositarse y dañar así la célula". Según Brückner, por eso es importante encontrar el compromiso óptimo entre los distintos parámetros de la electrólisis.

Para ello, el equipo de investigación ha desarrollado un coeficiente especial que facilita la determinación de las condiciones óptimas del proceso. Contiene en una fórmula matemática los índices de producción de CO e hidrógeno, así como la cantidad deCO2 aún presente a la salida de la primera célula. "Medimos las concentraciones de estas sustancias en un cromatógrafo de gases. También determinamos la concentración del gas nitrógeno, que añadimos en una cantidad definida", explica Brückner. Esta "calibración" puede utilizarse para determinar el caudal total que pasa por la célula. Como todos estos valores pueden recogerse continuamente mientras la célula está en funcionamiento, es posible determinar inmediatamente los efectos de los cambios en los parámetros de funcionamiento. Al mismo tiempo, los valores medidos también sirven como sistema de alerta temprana cuando la célula corre el riesgo de fallar y es necesario tomar contramedidas.

Economía sostenible del carbono con elCO2 como materia prima

"El objetivo último de esta investigación es establecer una economía circular y sostenible del carbono", explica Peter Strasser. "Una gran ventaja de nuestro proceso es que no necesitamos hidrógeno adicional para la electrólisis directa delCO2 en hidrocarburos útiles utilizando electricidad y agua". Esto es diferente de los procesos sostenibles convencionales, que utilizan hidrógeno para convertirel CO2 en CO o para producir hidrocarburos a partir de CO, lo que requiere energía adicional para su producción, almacenamiento y, si es necesario, transporte. "Los productos químicos básicos que utilizanCO2 del aire en lugar de petróleo como fuente de carbono pueden, de hecho, reducir el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera en determinadas condiciones. Los e-combustibles ecológicos fabricados a partir deCO2 tienen, al menos, una huella de carbono equilibrada tras la combustión", resume Strasser.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.

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