Investigadores de la Universidad Rice han desarrollado un reactor electroquímico que tiene el potencial de reducir drásticamente el consumo de energía para la captura directa de aire, es decir, la eliminación del dióxido de carbono directamente de la atmósfera.
El nuevo diseño del reactor podría ser parte de la solución al acuciante problema del impacto de las emisiones en el clima y la biosfera al permitir estrategias de mitigación de dióxido de carbono más ágiles y escalables.
un estudio en Energía de la naturaleza describe que el reactor especializado tiene una estructura modular de tres cámaras con una capa de electrolito sólido poroso cuidadosamente diseñada en su núcleo. Haotian Wang, ingeniero químico y biomolecular de Rice cuyo laboratorio ha estado investigando la descarbonización industrial y las soluciones de conversión y almacenamiento de energía, dijo que el trabajo «representa un gran hito en la captura de carbono de la atmósfera».
«Los hallazgos de nuestra investigación presentan una oportunidad para hacer que la captura de carbono sea más rentable y prácticamente viable en una amplia gama de industrias», dijo Wang, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería química y biomolecular.
El dispositivo ha logrado índices industrialmente relevantes de regeneración de dióxido de carbono a partir de soluciones que contienen carbono. Sus métricas de rendimiento, incluida su estabilidad a largo plazo y su adaptabilidad a diferentes reacciones catódicas y anódicas, muestran su potencial para uso industrial a gran escala.
«Uno de los principales atractivos de esta tecnología es su flexibilidad», dijo Wang, explicando que funciona con diferentes químicas y puede usarse para cogenerar hidrógeno. «La coproducción de hidrógeno durante la captura directa de aire podría traducirse en costos de capital y operación dramáticamente más bajos para la fabricación posterior de combustibles o productos químicos netos cero».
La nueva tecnología ofrece una alternativa al uso de altas temperaturas en procesos de captura directa de aire, que a menudo implican hacer pasar una corriente de gas mixto a través de líquidos de alto pH para filtrar el dióxido de carbono, un gas ácido. Este primer paso del proceso une los átomos de carbono y oxígeno de las moléculas del gas a otros compuestos del líquido, formando nuevos enlaces de distintos grados de fuerza según el tipo de sustancia química utilizada para atrapar el dióxido de carbono. El siguiente paso importante en el proceso implica recuperar el dióxido de carbono de estas soluciones, lo que se puede hacer mediante calor, reacciones químicas o procesos electroquímicos.
Zhiwei Fang, investigador postdoctoral de Rice y coprimer autor del estudio, dijo que las tecnologías convencionales de captura directa de aire tienden a utilizar procesos de alta temperatura para regenerar el dióxido de carbono a partir del sorbente o agente filtrante de dióxido de carbono.
«Nuestro trabajo se centró en utilizar energía eléctrica en lugar de energía térmica para regenerar dióxido de carbono», dijo Fang, añadiendo que el enfoque tiene varios beneficios adicionales, incluido que funciona a temperatura ambiente, no necesita productos químicos adicionales y no genera subproductos no deseados.
Los tipos de productos químicos utilizados para atrapar el dióxido de carbono tienen diferentes inconvenientes y ventajas. Los sorbentes a base de aminas son los más utilizados, en parte porque tienden a formar enlaces más débiles, lo que significa que se requiere menos energía para sacar el dióxido de carbono de la solución. Sin embargo, son muy tóxicos e inestables. Aunque las soluciones básicas a base de agua que utilizan sorbentes como el hidróxido de sodio y el hidróxido de potasio son una alternativa más ecológica, requieren temperaturas mucho más altas para liberar el dióxido de carbono.
«Nuestro reactor puede dividir eficientemente soluciones de carbonato y bicarbonato, produciendo absorbente alcalino en una cámara y dióxido de carbono de alta pureza en una cámara separada», dijo Wang. «Nuestro enfoque innovador optimiza las entradas eléctricas para controlar eficientemente el movimiento de iones y la transferencia de masa, reduciendo las barreras energéticas».
Wang dijo que espera que la investigación motive a más industrias a buscar procesos sostenibles e impulsar el impulso hacia un futuro neto cero. Añadió que este y otros proyectos en su laboratorio a lo largo de los años reflejan el enfoque estratégico de Rice en la innovación energética sostenible.
«El arroz es el lugar ideal si le apasiona la sostenibilidad y la innovación energética», afirmó Wang.
Otros autores del estudio son el ex investigador postdoctoral de Rice, Xiao Zhang, y los ex alumnos de doctorado de Rice y ex científicos postdoctorales, Peng Zhu y Yang Xia.
La investigación fue apoyada por la Fundación Robert A. Welch (C-2051) y la Fundación David y Lucile Packard (2020-71371).
