La nanoplata como electrocatalizador para la reducción del CO₂
La célula de electrólisis produce CO, hidrógeno y ácido fórmico al mismo tiempo
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Mediante la electrólisis, el CO₂ puede reducirse a CO, una materia prima para la obtención de otros productos químicos, como los combustibles. En el marco del proyecto GreenQuest, un equipo internacional dirigido por el químico del HZB Prashanth Menezes ha investigado de forma sistemática las capas catalíticas formadas por nanopartículas de plata, variando tanto el tamaño de las partículas como su densidad. El mejor rendimiento se obtuvo con nanopartículas de unos 10 nm de diámetro, distribuidas de forma dispersa. Además, demostraron cómo se puede mejorar la eficiencia económica de la célula electroquímica integrando una reacción química adicional en el ánodo, lo que permite la producción simultánea de ácido fórmico —una sustancia valiosa—, hidrógeno y CO en un solo dispositivo.
Las nanopartículas de plata con diámetros de ~10 nm ofrecen el mejor rendimiento como electrocatalizadores. Las partículas de plata se pulverizan sobre el electrodo junto con un polvo de carbono conductor. La mezcla ideal está compuesta por un 20 % en masa de plata y un 80 % en masa de polvo de carbono. Esta imagen se ha obtenido mediante un microscopio electrónico de transmisión (TEM).
© HZB
El CO₂, un gas de efecto invernadero, puede reducirse electrolíticamente a monóxido de carbono (CO) utilizando energía eléctrica. En pasos posteriores, el CO y el H₂ generados mediante procesos electroquímicos forman gas de síntesis, que posteriormente se convierte en DME y se transforma catalíticamente en LFG verde, compuesto principalmente por propano (C₃H₈) y butano (C₄H₁₀). Siempre que la energía eléctrica para la electrólisis se genere a partir de energía solar o eólica, esta tecnología puede considerarse neutra en carbono, ya que el CO₂ se recicla, por así decirlo. Equipos del HZB colaboran con instituciones asociadas de Sudáfrica en el desarrollo de esta tecnología en el marco del proyecto GreenQUEST. Su objetivo es desarrollar un combustible «verde» asequible y sostenible para cocinar (gLFG) como alternativa más limpia a la cocina tradicional basada en biomasa, especialmente en las regiones rurales de Sudáfrica, donde la leña sigue siendo una importante fuente de energía doméstica.
Un equipo dirigido por el Dr. Prashanth Menezes, del HZB, ha demostrado ahora una forma de mejorar la eficiencia y la rentabilidad de la reducción electrolítica del CO₂ a CO. Investigaron sistemáticamente capas catalíticas formadas por nanopartículas de plata, variando tanto el tamaño de las partículas como su densidad sobre un material de polvo de carbono que recubre el electrodo de carbono.
«Ya sabíamos que las nanopartículas demasiado pequeñas favorecen la evolución de hidrógeno, lo que reduce el rendimiento de monóxido de carbono. Por el contrario, las nanopartículas demasiado grandes son menos activas catalíticamente. Queríamos identificar el punto óptimo exacto», afirma el Dr. Niklas Hausmann, coautor del estudio. Su estudio muestra que el mejor rendimiento se obtuvo con nanopartículas de unos 10 nm de diámetro, distribuidas de forma dispersa sobre el material de carbono (0,2 mg por centímetro cuadrado de electrodo).
Un segundo paso supuso una mejora adicional: mientras que en el cátodo el dióxido de carbono se reduce a monóxido de carbono, en el ánodo suele tener lugar una reacción de evolución de oxígeno. Esta reacción de evolución de oxígeno consume una gran cantidad de energía, que debe suministrarse mediante electricidad, y solo produce oxígeno, que no tiene valor económico. El equipo ha demostrado ahora que, al añadir aldehídos al electrolito, la reacción de evolución de oxígeno puede sustituirse por una reacción de oxidación de aldehídos. Esto reduce el consumo energético de todo el proceso en más de un 30 %. Además, en lugar de oxígeno, se producen hidrógeno gaseoso útil y ácidos carboxílicos valiosos, como el ácido fórmico.
El catalizador optimizado, basado en nanopartículas de plata, mostró una eficiencia faradaica de casi el 100 % para el CO durante un periodo notablemente largo de 100 horas. Los análisis realizados mediante espectroscopia fotoelectrónica de rayos X confirmaron que la estructura electrónica y química de las partículas activas de plata se mantiene en gran medida estable durante el funcionamiento.
«Si combinamos la producción de CO con la generación de hidrógeno y la formación simultánea de otros productos químicos de valor añadido, como el ácido fórmico, podemos mejorar el valor global del proceso electroquímico. El CO y el hidrógeno pueden servir como componentes básicos para la posterior producción de combustibles y productos químicos sostenibles», afirma Menezes.
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 Inglés se puede encontrar aquí.
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