Científicos de la Universidad de Rice logran que un gas de efecto invernadero común pueda ser reutilizado de manera eficiente y respetuosa con el medio ambiente gracias a un electrolizador que utiliza electricidad renovable para producir combustibles líquidos puros.
El reactor catalítico desarrollado por el laboratorio de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Rice, Haotian Wang, utiliza dióxido de carbono como materia prima y, en su último prototipo, produce altas concentraciones de ácido fórmico altamente purificado. El método se detalla en Nature Energy
En las pruebas, el nuevo electrocatalizador alcanzó una eficiencia de conversión de energía de aproximadamente 42%. Eso significa que casi la mitad de la energía eléctrica puede almacenarse en ácido fórmico como combustible líquido
El ácido fórmico es un portador de energía", señaló Wang. “Es un combustible de celda de combustible que puede generar electricidad y emitir dióxido de carbono, que puede tomar y reciclar nuevamente"
Además, es fundamental en la industria de la ingeniería química como materia prima para otros productos químicos y un material de almacenamiento de hidrógeno que puede contener casi 1,000 veces la energía del mismo volumen de gas hidrógeno, que es difícil de comprimir,, según Wang. "Ese es actualmente un gran desafío para los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno", advierte
Dos avances hicieron posible el nuevo dispositivo, dijo el autor principal e investigador postdoctoral de Rice, Chuan Xia. El primero fue su desarrollo de un catalizador de bismuto bidimensional robusto y el segundo un electrolito de estado sólido que elimina la necesidad de sal como parte de la reacción.
"El bismuto es un átomo muy pesado, en comparación con los metales de transición como el cobre, el hierro o el cobalto", explica Wang. “Su movilidad es mucho menor, particularmente en condiciones de reacción. Eso estabiliza el catalizador ”. Además, el reactor está estructurado para evitar que el agua entre en contacto con el catalizador, lo que también ayuda a preservarlo.
Xia puede fabricar los nanomateriales a granel. "Actualmente, las personas producen catalizadores en las escalas de miligramos o gramos", dijo. “Desarrollamos una forma de producirlos a escala de kilogramos. Eso hará que nuestro proceso sea más fácil de escalar para la industria ".
Por otro lado, el electrolito sólido a base de polímero está recubierto con ligandos de ácido sulfónico para conducir carga positiva o grupos funcionales amino para conducir iones negativos. "Por lo general, las personas reducen el dióxido de carbono en un electrolito líquido tradicional como el agua salada", dijo Wang. “Desea que se conduzca la electricidad, pero el electrolito de agua pura es demasiado resistente. Debes agregar sales como cloruro de sodio o bicarbonato de potasio para que los iones puedan moverse libremente en el agua
Pero cuando se genera ácido fórmico de esa manera, se mezcla con las sales", dijo. “Para la mayoría de las aplicaciones, debe eliminar las sales del producto final, lo que requiere mucha energía y costos. Así que empleamos electrolitos sólidos que conducen protones y pueden estar hechos de polímeros insolubles o compuestos inorgánicos, eliminando la necesidad de sales ".
La velocidad a la que fluye el agua a través de la cámara del producto determina la concentración de la solución. El rendimiento lento con la configuración actual produce una solución que es casi un 30% de ácido fórmico en peso, mientras que los flujos más rápidos permiten personalizar la concentración. Los investigadores esperan alcanzar concentraciones más altas de los reactores de próxima generación que aceptan el flujo de gas para extraer vapores de ácido fórmico puro.
Con su reactor actual, el laboratorio generó ácido fórmico continuamente durante 100 horas con una degradación insignificante de los componentes del reactor, incluidos los catalizadores a nanoescala. Wang sugirió que el reactor podría ser fácilmente modificado para producir productos de mayor valor como el ácido acético, el etanol o los combustibles de propanol
"El panorama general es que la reducción de dióxido de carbono es muy importante por su efecto sobre el calentamiento global, así como para la síntesis química verde", comentó Wang. "Si la electricidad proviene de fuentes renovables como el sol o el viento, podemos crear un circuito que convierta el dióxido de carbono en algo importante sin emitir más", concluyó
Además, es fundamental en la industria de la ingeniería química como materia prima para otros productos químicos y un material de almacenamiento de hidrógeno que puede contener casi 1,000 veces la energía del mismo volumen de gas hidrógeno, que es difícil de comprimir,, según Wang. "Ese es actualmente un gran desafío para los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno", advierte
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| El ingeniero de la Universidad de Rice, Haotian Wang recicla dióxido de carbono para producir combustible líquido |
Dos avances hicieron posible el nuevo dispositivo
Dos avances hicieron posible el nuevo dispositivo, dijo el autor principal e investigador postdoctoral de Rice, Chuan Xia. El primero fue su desarrollo de un catalizador de bismuto bidimensional robusto y el segundo un electrolito de estado sólido que elimina la necesidad de sal como parte de la reacción.
"El bismuto es un átomo muy pesado, en comparación con los metales de transición como el cobre, el hierro o el cobalto", explica Wang. “Su movilidad es mucho menor, particularmente en condiciones de reacción. Eso estabiliza el catalizador ”. Además, el reactor está estructurado para evitar que el agua entre en contacto con el catalizador, lo que también ayuda a preservarlo.
Por otro lado, el electrolito sólido a base de polímero está recubierto con ligandos de ácido sulfónico para conducir carga positiva o grupos funcionales amino para conducir iones negativos. "Por lo general, las personas reducen el dióxido de carbono en un electrolito líquido tradicional como el agua salada", dijo Wang. “Desea que se conduzca la electricidad, pero el electrolito de agua pura es demasiado resistente. Debes agregar sales como cloruro de sodio o bicarbonato de potasio para que los iones puedan moverse libremente en el agua
Producción de otros combustibles
Con su reactor actual, el laboratorio generó ácido fórmico continuamente durante 100 horas con una degradación insignificante de los componentes del reactor, incluidos los catalizadores a nanoescala. Wang sugirió que el reactor podría ser fácilmente modificado para producir productos de mayor valor como el ácido acético, el etanol o los combustibles de propanol
"El panorama general es que la reducción de dióxido de carbono es muy importante por su efecto sobre el calentamiento global, así como para la síntesis química verde", comentó Wang. "Si la electricidad proviene de fuentes renovables como el sol o el viento, podemos crear un circuito que convierta el dióxido de carbono en algo importante sin emitir más", concluyó
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