Combustibles a partir de la luz solar
"Funciona como una carrera de relevos perfectamente sincronizada"
El océano es el mayor sumidero dinámico de carbono de la Tierra, ya que absorbe 400 millones de toneladas anuales de dióxido de carbono (CO₂) mediante un intercambio continuo con la atmósfera. Investigadores de Yale han desarrollado un sistema eficaz para extraer y convertir el CO₂ disuelto en combustibles limpios y materias primas útiles para la industria. Este avance, publicado en Nature Communications, podría transformar el agua de mar en una fuente sostenible de productos basados en el carbono y ayudar a equilibrar los niveles de CO₂ oceánico.
El profesor Shu Hu, del departamento de Ingeniería Química y Medioambiental y miembro del Instituto de Ciencias de la Energía de Yale, dirigió el proyecto y describe el sistema como una "captura y conversión de carbono basada en el océano e impulsada por energía solar". O, más sencillamente, es fabricar "combustibles a partir de la luz solar". El equipo utiliza la luz solar para transformar el carbono disuelto en el agua de mar en syngas, un gas de síntesis compuesto por monóxido de carbono (CO) e hidrógeno. Este versátil compuesto es un elemento clave para producir valiosos combustibles y productos químicos industriales.
Los anteriores intentos de aprovechar la energía solar para convertir el carbono disuelto en el agua de mar en productos útiles se han enfrentado a importantes retos. La bajísima concentración de iones carbonato en el agua de mar dificulta la obtención de un alto rendimiento energético y la formación selectiva de productos. Además, los reactores existentes se limitan a experimentos a escala de laboratorio. Además de catalizadores, se necesita un diseño de reactor capaz de funcionar de forma continua y a gran escala para aprovechar realmente el dióxido de carbono del agua de mar.
Basándose en la experiencia del grupo Hu en el diseño de la fotocatálisis y el reactor que maximizan el uso de la luz para la transformación química, desarrollaron un nuevo dispositivo fotoelectroquímico. Utiliza únicamente la luz solar para convertir el carbono disuelto en el agua de mar -principalmente bicarbonato- en gas de síntesis. El proceso imita el funcionamiento de la fotosíntesis en los ecosistemas oceánicos y alcanza una eficiencia de conversión de energía solar en combustible del 0,71%, similar a la de las algas marinas. Aún más sorprendente es el descubrimiento del equipo de que, a pesar de la concentración casi nula de carbonato en el agua de mar, la selectividad de la reacción puede verse drásticamente influida por el campo de flujo dentro del reactor. En agua de mar estática, el contenido de CO en el producto era de sólo el 3%. Sin embargo, en las condiciones de flujo controlado dentro del reactor, la proporción de CO aumentó hasta el 21%.
"Funciona como una carrera de relevos perfectamente sincronizada", explica Xiang Shi, coautor del estudio y estudiante de posgrado en el laboratorio de Hu. "El ánodo pasa protones y CO₂ al cátodo, que corre hacia la línea de meta: la conversión. Este trabajo en equipo hace que toda la reacción se complete con eficacia. Lo hemos conseguido diseñando el reactor de forma que el flujo pase primero por los ánodos, donde se oxida el agua y se liberan protones. Estos protones son arrastrados por el flujo, desencadenando una cascada de reacciones que convierten el bicarbonato en CO₂ disuelto, que se transporta a los cátodos aguas abajo y se reduce".
Mediante este enfoque, diseñaron el proceso de transferencia de masa de la reacción, regulando el flujo que llega a la superficie del electrodo. De este modo, no sólo consiguieron eliminar el dióxido de carbono del agua de mar, sino que también utilizaron la luz solar para generar combustible directamente del océano.
Los investigadores planean perfeccionar la tecnología del sistema para convertirlo en un reactor industrial a gran escala. El diseño modular del reactor permite montar estas células de flujo en conjuntos flotantes de un metro cuadrado. Estos reactores flotantes aprovechan los movimientos naturales de las mareas y las corrientes oceánicas para hacer circular pasivamente el agua de mar por el sistema. A medida que el agua de mar fluye por los reactores, éstos convierten continuamente el CO₂ disuelto en gas de síntesis bajo la luz solar, que puede recogerse y transportarse a instalaciones industriales para su posterior utilización en síntesis química o producción de combustible.
"Esperamos construir reactores flotantes a gran escala en el mar para poder utilizar directamente la luz solar y el agua de mar para producir combustibles solares", declaró Hu.
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