Mientras el mundo lucha por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los investigadores buscan formas prácticas y económicas de capturar el dióxido de carbono y convertirlo en productos útiles, como combustibles para el transporte, materias primas químicas o incluso materiales de construcción. Pero hasta ahora, esos intentos han tenido dificultades para alcanzar la viabilidad económica.
Una nueva investigación realizada por ingenieros del MIT podría conducir a mejoras rápidas en una variedad de sistemas electroquímicos que están en desarrollo para convertir el dióxido de carbono en un bien valioso. El equipo desarrolló un nuevo diseño para los electrodos utilizados en estos sistemas, que aumenta la eficiencia del proceso de conversión.
Los hallazgos se publicarán en la revista. Comunicaciones de la naturalezaen un artículo del estudiante de doctorado del MIT Simon Rufer, la profesora de ingeniería mecánica Kripa Varanasi y otras tres personas.
«El CO2 El problema es un gran desafío para nuestros tiempos, y estamos utilizando todo tipo de palancas para resolverlo y abordarlo», afirma Varanasi. Será esencial encontrar formas prácticas de eliminar el gas, afirma, ya sea de fuentes como la energía emisiones de plantas, o directamente del aire o de los océanos. Pero luego, una vez que el CO.2 ha sido eliminado, tiene que ir a alguna parte.
Se ha desarrollado una amplia variedad de sistemas para convertir ese gas capturado en un producto químico útil, dice Varanasi. «No es que no podamos hacerlo, podemos hacerlo. Pero la pregunta es ¿cómo podemos hacerlo eficiente? ¿Cómo podemos hacerlo rentable?».
En el nuevo estudio, el equipo se centró en la conversión electroquímica de CO2 al etileno, una sustancia química ampliamente utilizada que puede convertirse en una variedad de plásticos y combustibles, y que hoy se fabrica a partir del petróleo. Pero el enfoque que desarrollaron también podría aplicarse a la producción de otros productos químicos de alto valor, como metano, metanol, monóxido de carbono y otros, dicen los investigadores.
Actualmente, el etileno se vende a unos 1.000 dólares la tonelada, por lo que el objetivo es poder igualar o superar ese precio. El proceso electroquímico que convierte el CO2 La conversión de etileno implica una solución a base de agua y un material catalizador, que entran en contacto junto con una corriente eléctrica en un dispositivo llamado electrodo de difusión de gas.
Hay dos características en competencia de los materiales de los electrodos de difusión de gas que afectan su rendimiento: deben ser buenos conductores eléctricos para que la corriente que impulsa el proceso no se desperdicie mediante el calentamiento por resistencia, pero también deben ser «hidrófobos» o agua. repelente, por lo que la solución electrolítica a base de agua no se filtra e interfiere con las reacciones que tienen lugar en la superficie del electrodo.
Desafortunadamente, es una compensación. Mejorar la conductividad reduce la hidrofobicidad y viceversa. Varanasi y su equipo se propusieron ver si podían encontrar una manera de solucionar ese conflicto y, después de muchos meses de intentarlo, lo consiguieron.
La solución, ideada por Rufer y Varanasi, es elegante por su sencillez. Utilizaron un material plástico, PTFE (esencialmente teflón), que se sabe que tiene buenas propiedades hidrofóbicas. Sin embargo, la falta de conductividad del PTFE significa que los electrones deben viajar a través de una capa de catalizador muy delgada, lo que provoca una caída de voltaje significativa con la distancia. Para superar esta limitación, los investigadores tejieron una serie de cables de cobre conductores a través de la lámina muy delgada de PTFE.
«Este trabajo realmente abordó este desafío, ya que ahora podemos obtener tanto conductividad como hidrofobicidad», dice Varanasi.
La investigación sobre posibles sistemas de conversión de carbono tiende a realizarse en muestras muy pequeñas a escala de laboratorio, generalmente de menos de 2,5 centímetros (1 pulgada) de cuadrado. Para demostrar el potencial de ampliación, el equipo de Varanasi produjo una hoja 10 veces más grande en área y demostró su desempeño efectivo.
Para llegar a ese punto, tuvieron que realizar algunas pruebas básicas que aparentemente nunca antes se habían hecho, realizando pruebas en condiciones idénticas pero usando electrodos de diferentes tamaños para analizar la relación entre la conductividad y el tamaño del electrodo. Descubrieron que la conductividad disminuía drásticamente con el tamaño, lo que significaría que se necesitaría mucha más energía y, por tanto, mucho más coste para impulsar la reacción.
«Eso es exactamente lo que esperaríamos, pero era algo que nadie había investigado con dedicación antes», dice Rufer. Además, los tamaños más grandes produjeron más subproductos químicos no deseados además del etileno previsto.
Las aplicaciones industriales del mundo real requerirían electrodos que sean quizás 100 veces más grandes que las versiones de laboratorio, por lo que será necesario agregar cables conductores para que tales sistemas sean prácticos, dicen los investigadores. También desarrollaron un modelo que captura la variabilidad espacial en el voltaje y la distribución del producto en los electrodos debido a las pérdidas óhmicas. El modelo, junto con los datos experimentales que recopilaron, les permitió calcular el espaciado óptimo de los cables conductores para contrarrestar la caída de la conductividad.
En efecto, al tejer el alambre a través del material, el material se divide en subsecciones más pequeñas determinadas por el espaciado de los alambres. «Lo dividimos en un montón de pequeños subsegmentos, cada uno de los cuales es efectivamente un electrodo más pequeño», dice Rufer. «Y como hemos visto, los electrodos pequeños pueden funcionar muy bien».
Debido a que el alambre de cobre es mucho más conductor que el material de PTFE, actúa como una especie de superautopista para los electrones que lo atraviesan, uniendo las áreas donde están confinados al sustrato y enfrentan una mayor resistencia.
Para demostrar que su sistema es robusto, los investigadores hicieron funcionar un electrodo de prueba durante 75 horas seguidas, con pocos cambios en el rendimiento. En general, dice Rufer, su sistema «es el primer electrodo basado en PTFE que ha ido más allá de la escala de laboratorio en el orden de 5 centímetros o menos. Es el primer trabajo que ha progresado a una escala mucho mayor y lo ha hecho sin sacrificar la eficiencia. «.
El proceso de tejido para incorporar el alambre se puede integrar fácilmente en los procesos de fabricación existentes, incluso en un proceso de rollo a rollo a gran escala, añade.
«Nuestro enfoque es muy poderoso porque no tiene nada que ver con el catalizador que se utiliza», dice Rufer. «Puede coser este alambre de cobre micrométrico en cualquier electrodo de difusión de gas que desee, independientemente de la morfología o la química del catalizador. Por lo tanto, este enfoque se puede utilizar para escalar el electrodo de cualquier persona».
«Dado que necesitaremos procesar gigatoneladas de CO2 anualmente para combatir el CO2 desafío, realmente necesitamos pensar en soluciones que puedan escalar», dice Varanasi. «Comenzar con esta mentalidad nos permite identificar cuellos de botella críticos y desarrollar enfoques innovadores que pueden tener un impacto significativo en la solución del problema. Nuestro electrodo jerárquicamente conductor es el resultado de tal pensamiento».
El equipo de investigación incluyó a los estudiantes graduados del MIT Michael Nitzsche y Sanjay Garimella, así como a Jack Lake PhD ’23. El trabajo contó con el apoyo de Shell, a través de la Iniciativa Energética del MIT.
