Científicos de la Universidad de Rice han logrado 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 ingeniero químico y biomolecular del laboratorio de la Universidad de Rice, Haotian Wang, utiliza dióxido de carbono (CO2) 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 el 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 --afirma Wang--. Es un combustible de celda de combustible que puede generar electricidad y emitir dióxido de carbono, que puedes 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
Dos avances hicieron posible el nuevo dispositivo, según indica el autor principal e investigador postdoctoral de Rice, Chuan Xia. El primero fue el desarrollo de un catalizador de bismuto bidimensional robusto; el segundo, un electrolito de estado sólido que elimina la necesidad de contar con 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. De modo que 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", apunta el científico, que revela que el equipo desarrolló una forma de producirlos a escala de kilogramos, lo que permitirá que el proceso sea más fácil 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 amino-grupos funcionales para conducir iones negativos. "Por lo general, las personas reducen el dióxido de carbono en un electrolito líquido tradicional como el agua salada --explica Wang--. Quieres que conduzca la electricidad, pero el electrolito de agua pura es demasiado resistente. Necesitas 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 tal manera, se mezcla con las sales, añade el investigador. "Para la mayoría de las aplicaciones, tienes que eliminar las sales del producto final, lo que requiere mucha energía y costo --agrega--. Por lo tanto, empleamos electrolitos sólidos que conducen protones y pueden estar hechos de polímeros insolubles o compuestos inorgánicos, eliminando la necesidad de sales".
PRODUCCIÓN DE OTROS COMBUSTIBLES
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 el 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 ácido acético, etanol o combustibles de propanol.
"El panorama general es que la reducción de dióxido de carbono es muy importante por su efecto sobre el calentamiento global y por la síntesis química verde", comenta 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", concluye.
