Los científicos que buscan convertir el dióxido de carbono en combustibles limpios y productos químicos útiles a menudo producen gas hidrógeno y carbonatos como subproductos no deseados.
por Paul Dailing, Universidad de Chicago
Un nuevo artículo de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago ha encontrado un camino más limpio.
El dióxido de carbono es el gas de efecto invernadero, responsable por sí solo del 78% del cambio en el balance energético de la atmósfera terrestre entre 1990 y 2022.
Un subproducto de la quema de combustibles fósiles , el dióxido de carbono ingresa a la atmósfera desde los gases de escape de los automóviles y las centrales eléctricas alimentadas con carbón. Incluso algunos recursos de energía renovable producen una pequeña cantidad de dióxido de carbono, aunque en una pequeña fracción de la cantidad que crean el carbón y el gas natural.
En esencia, esta molécula es solo una disposición de un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno que pueden reorganizarse mediante un proceso llamado reducción electroquímica de dióxido de carbono (CO 2 R) en combustibles limpios y productos químicos útiles. Pero el proceso a menudo se realiza con pérdidas, con procesos competitivos que empujan los átomos en direcciones no deseadas que crean subproductos no deseados.
En un artículo publicado hoy en Nature Catalysis , investigadores del Laboratorio Amanchukwu de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago describieron una forma de manipular las moléculas de agua para hacer que el CO 2 R sea más eficiente, con el objetivo final de crear un circuito de energía limpia.
A través de su nuevo método, el equipo pudo producir CO 2 R con casi un 100 % de eficiencia en condiciones ligeramente ácidas, utilizando oro o zinc como catalizadores.
«Imagínese que podemos tener electricidad verde procedente de la energía solar y eólica, y luego usar esta electricidad para convertir el dióxido de carbono nuevamente en combustibles», dijo PME Ph.D. candidato Reggie Gomes, primer autor del nuevo artículo.
Compitiendo con ELLA
Desensamblar electroquímicamente una molécula es como el tiro libre en un juego de billar. La disposición anterior desaparece y las bolas se dispersan por la mesa y se detienen en nuevas combinaciones, no siempre las que el jugador pretendía.
De manera similar, los investigadores que realizan CO 2 R utilizan electricidad y agua para descomponer y reorganizar el dañino gas de efecto invernadero . Esto envía átomos de carbono y oxígeno del dióxido de carbono chocando sobre la mesa con átomos de hidrógeno del agua.
Si funciona según lo previsto, los átomos forman otras moléculas más deseables que pueden usarse como combustibles o productos químicos.
Pero a medida que los átomos se dispersan, a menudo se forman pares estables de dos átomos de hidrógeno, un proceso llamado reacción de evolución de hidrógeno (HER). Esto hace que el CO 2 R sea menos eficiente, ya que la energía y los átomos que se convierten en gas hidrógeno no pueden ser parte de las moléculas que los científicos intentaban crear.
Incluso en pequeñas cantidades de agua, el CO 2 R siempre compite con HER.
El Laboratorio Amanchukwu, que se destaca por su investigación sobre baterías , aplicó conocimientos de baterías acuosas al problema, planteando la hipótesis de que controlar el agua con disolventes orgánicos podría proporcionar una solución.
todo lo que brilla
Tanto el CO 2 R como el HER dependen del agua como donante de protones. Utilizando disolventes orgánicos y aditivos ácidos, el equipo pudo ajustar el comportamiento del agua y encontrar el punto ideal donde donaba la cantidad adecuada de protones para crear las moléculas deseadas, no el gas hidrógeno y otros materiales no deseados como los carbonatos.
«En química general aprendemos que el dióxido de carbono reacciona con el hidróxido para formar carbonato. Esto no es deseado porque agota la molécula que queremos valorizar», dijo Chibueze Amanchukwu, profesor asistente de ingeniería molecular de la familia Neubauer.
Muchas de las formas más efectivas de producir CO 2 R se basan en metales preciosos .
«El platino, la plata y el oro son excelentes catalizadores para fines de investigación», afirmó Gomes. «Son materiales muy estables. Pero cuando se piensa en aplicaciones industriales, su coste resulta prohibitivo».
Al diseñar el electrolito, el nuevo método puede obtener resultados similares utilizando materiales más baratos y abundantes.
«En este momento, la mejor manera de hacer esto electroquímicamente a temperatura ambiente es utilizar metales preciosos. El oro y la plata pueden suprimir un poco la reacción de desprendimiento de hidrógeno», dijo Amanchukwu. «Gracias a nuestro descubrimiento, ahora podemos utilizar un metal que abunda en la Tierra, el zinc, porque ahora tenemos una forma separada de controlar el agua».
Más información: Reginaldo J. Gomes et al, La modulación de los enlaces de hidrógeno del agua dentro de un entorno no acuoso controla su reactividad en transformaciones electroquímicas, Nature Catalysis (2024). DOI: 10.1038/s41929-024-01162-z
