Investigadores de Berkeley han demostrado cómo el recubrimiento de catalizadores de cobre con finas películas de polímeros puede mejorar una técnica para convertir las emisiones de CO2 en combustibles.
El dióxido de carbono (CO2), un producto de la quema de combustibles fósiles y el gas de efecto invernadero más común, tiene el potencial de convertirse de manera sostenible en combustibles útiles. Una ruta prometedora para convertir las emisiones de CO2 en una materia prima de combustible es un proceso conocido como reducción electroquímica. Pero para que sea comercialmente viable, el proceso debe mejorarse para seleccionar o producir una mayor cantidad de productos deseables ricos en carbono.
Ahora, como se informa en la revista Nature Energy, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han mejorado la selectividad del proceso mediante el desarrollo de un nuevo enfoque para modificar la superficie de los catalizadores de cobre utilizados para ayudar a la reacción.
«Aunque sabemos que el cobre es el mejor catalizador para esta reacción, no da una alta selectividad a los productos deseados», dijo en un comunicado Alexis Bell, científico senior de la facultad de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley y profesor de ingeniería química en la UC Berkeley. «Nuestro grupo ha descubierto que se pueden hacer varios trucos con el entorno local del catalizador para proporcionar esa selectividad».
En estudios anteriores, los investigadores habían establecido las condiciones precisas que proporcionaban el mejor entorno eléctrico y químico para crear productos ricos en carbono comercialmente interesantes. Pero esas condiciones son contrarias a las que ocurren naturalmente en una pila de combustible típica, que utiliza un material conductor a base de agua.
Para identificar un diseño que podría usarse en el entorno acuoso de las pilas de combustible, Bell y su equipo, como parte del proyecto Liquid Sunlight Alliance Energy Innovation Hub del Departamento de Energía, recurrieron a capas delgadas de ionómeros, polímeros que permiten ciertas moléculas cargadas (iones) para pasar excluyendo a otros. Como resultado de su química altamente selectiva, son especialmente adecuados para tener una fuerte influencia en el microambiente.
Chanyeon Kim, investigador postdoctoral del grupo de Bell y autor principal del artículo, propuso recubrir la superficie del catalizador de cobre con dos ionómeros comunes, Nafion y Sustainion. Al hacerlo, el equipo planteó la hipótesis de que debería modificar el medio ambiente, incluido el pH y las cantidades de agua y CO2, en la vecindad inmediata del catalizador de una manera que dirigiría la reacción para generar productos ricos en carbono que se pueden convertir fácilmente en productos químicos útiles y combustibles líquidos.
Los investigadores aplicaron una capa delgada de cada ionómero, así como una bicapa de ambos ionómeros, a películas de cobre soportadas por un material polimérico, formando membranas que podrían insertar cerca de un extremo de una celda electroquímica del tamaño de una mano. Mientras alimentaban CO2 a la celda y aplicaban voltaje, midieron la corriente total que fluía a través de la celda. Luego midieron los gases y líquidos que se acumulaban en los depósitos contiguos durante la reacción. Para el caso de dos capas, encontraron que los productos ricos en carbono representaban el 80% de la energía consumida por la reacción, frente al 60% en la situación sin recubrimiento.
«Este recubrimiento tipo sándwich ofrece lo mejor de ambos mundos: alta selectividad de producto y alta actividad», dijo Bell. La superficie bicapa favoreció no solo los productos ricos en carbono, sino que al mismo tiempo generó una fuerte corriente eléctrica, lo que indica una mayor actividad.
Los investigadores concluyeron que la reacción mejorada era consecuencia de la alta concentración de CO2 que se acumulaba en la capa de recubrimiento inmediatamente encima del cobre. Además, las moléculas cargadas negativamente que se acumularon en la región entre los dos ionómeros crearon una baja acidez local. Esa combinación contrarrestó la compensación de concentración que tiende a ocurrir en ausencia de las películas de ionómero.
Para aumentar aún más la eficiencia de la reacción, los investigadores recurrieron a una técnica que se había demostrado antes, sin películas de ionómero, como otra forma de aumentar el CO2 y el pH: pulsando el voltaje. Al utilizar un voltaje pulsado con el recubrimiento de ionómero bicapa, los investigadores lograron un aumento del 250% en productos ricos en carbono en comparación con el cobre sin recubrimiento y un voltaje estático.
Si bien algunos investigadores han centrado su trabajo en el desarrollo de nuevos catalizadores, el descubrimiento de catalizadores no considera las condiciones operativas. Controlar el medio ambiente en la superficie del catalizador es un enfoque nuevo y diferente.
«En lugar de idear un catalizador completamente nuevo, hemos tomado lo que sabemos sobre la cinética de una reacción y lo hemos utilizado para guiar nuestro pensamiento sobre cómo cambiar el entorno en el sitio del catalizador», dijo Adam Weber, senior científico de planta en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab y coautor del artículo.
El siguiente paso es aumentar la producción del catalizador revestido. Los experimentos iniciales del equipo de Berkeley Lab involucraron pequeños sistemas de modelos planos, que son mucho más simples de trabajar en comparación con las estructuras porosas de gran superficie necesarias para aplicaciones comerciales. «No es difícil recubrir una superficie plana. Pero un enfoque comercial podría implicar recubrir pequeñas esferas de cobre», dijo Bell. Agregar una segunda capa se vuelve un desafío. Una posibilidad es mezclar y depositar los dos recubrimientos juntos en un solvente y esperar que se separen a medida que el solvente se evapora.
europapress.es
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