Un catalizador imparable supera al azufre para revolucionar la captura de carbono

Un catalizador electroquímico para convertir el dióxido de carbono en productos valiosos puede combatir las impurezas que envenenan las versiones existentes.

Un nuevo catalizador impulsa la conversión del carbono capturado en productos comerciales, manteniendo una alta eficiencia a pesar de las impurezas de óxido de azufre. Esta innovación podría reducir significativamente los costos y los requisitos energéticos en las tecnologías de captura de carbono, lo que afectaría a la industria pesada.

Investigadores del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Toronto han creado con éxito un nuevo catalizador que convierte eficientemente el carbono capturado en productos valiosos, incluso en presencia de un contaminante que degrada el rendimiento de las versiones existentes.

Este descubrimiento es un paso importante hacia tecnologías de captura y almacenamiento de carbono más viables económicamente que pueden agregarse a los procesos industriales existentes.

Avances en tecnologías de conversión de carbono

dice el profesor David Sinton (MIE), autor principal de un artículo publicado en la revista La energía de la naturaleza El 4 de julio que describe el nuevo catalizador.

“Pero hay otros sectores de la economía que serán difíciles de descarbonizar: por ejemplo, la fabricación de acero y cemento, para ayudar a estas industrias, necesitamos innovar formas rentables de capturar y aumentar el carbono en los flujos de desechos”.

Los estudiantes de doctorado en ingeniería de la Universidad de Toronto, Roy Kai (Ray) Miao (izquierda) y Panos Papangelakis (derecha), sostienen un nuevo catalizador que diseñaron para convertir el dióxido de carbono capturado en productos valiosos. Su modelo funciona bien incluso en presencia de dióxido de azufre, un contaminante que envenena otros catalizadores. Crédito de la imagen: Tyler Irving/Ingeniería de la Universidad de Toronto

Uso de electrolizador en la conversión de carbono.

Sinton y su equipo utilizan dispositivos conocidos como electrolizadores para convertir el dióxido de carbono y la electricidad en productos como etileno y etanol. Estas moléculas a base de carbono pueden venderse como combustible o utilizarse como materia prima química para fabricar objetos cotidianos como el plástico.

Dentro del electrolizador, se produce una reacción de conversión cuando tres elementos (dióxido de carbono gaseoso, electrones y un electrolito líquido a base de agua) se combinan en la superficie de un catalizador sólido.

El catalizador suele estar hecho de cobre, pero también puede contener otros metales o compuestos orgánicos que pueden mejorar aún más el sistema. Su función es acelerar la reacción y reducir la formación de productos secundarios no deseados, como el gas hidrógeno, lo que reduce la eficiencia general del proceso.

Abordar los desafíos de la eficiencia del catalizador

Si bien muchos equipos de investigación de todo el mundo han logrado producir catalizadores de alto rendimiento, casi todos están diseñados para funcionar con dióxido de carbono puro. Pero si el carbono en cuestión proviene de chimeneas, es probable que el carbono producido por este proceso esté lejos de ser puro.

«A los diseñadores de catalizadores generalmente no les gusta lidiar con impurezas, y por una buena razón», dice Panos Papangelakis, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y uno de los cinco coautores del nuevo artículo.

«Los óxidos de azufre, como el dióxido de azufre, envenenan el catalizador al unirse a la superficie. Esto deja menos sitios para que reaccione el dióxido de carbono y también crea sustancias químicas que no desea».

«Sucede muy rápido: si bien algunos catalizadores pueden durar cientos de horas con una alimentación pura, si se introducen estas impurezas, su eficiencia puede caer al 5% en cuestión de minutos».

Aunque existen métodos bien establecidos para eliminar las impurezas de los gases de escape ricos en CO2 antes de introducirlos en el electrolizador, estos métodos consumen mucho tiempo, consumen mucha energía y son costosos de capturar y mejorar la captura de carbono. Además, en el caso del dióxido de azufre, incluso una pequeña cantidad puede suponer un gran problema.

«Incluso si se reducen los gases de escape a menos de 10 partes por millón, o el 0,001% de la alimentación, el catalizador aún puede envenenarse en menos de dos horas», dice Papangelakis.

Innovaciones en el diseño de catalizadores.

En este artículo, el equipo describe cómo diseñaron un catalizador más flexible capaz de resistir el dióxido de azufre realizando dos cambios clave en un catalizador típico a base de cobre.

Por un lado le añadieron una fina capa de politetrafluoroetileno, también conocido como teflón. Este material antiadherente cambia la química de la superficie del catalizador, inhibiendo las reacciones que permiten que se produzca el envenenamiento por dióxido de azufre.

Por otro lado, añadieron una capa de Nafion, un polímero conductor de electricidad que se utiliza habitualmente en las pilas de combustible. Este material complejo y poroso contiene algunas áreas que son hidrófilas, lo que significa que atraen el agua, así como otras áreas que son hidrófobas, es decir, que la repelen. Esta estructura dificulta que el dióxido de azufre llegue a la superficie del catalizador.

Rendimiento en condiciones adversas

Luego, el equipo alimentó este catalizador con una mezcla de dióxido de carbono y dióxido de azufre, este último con una concentración de aproximadamente 400 partes por millón, lo que representa un flujo de residuos industrial típico. Incluso en estas difíciles condiciones, el nuevo catalizador funcionó bien.

«En este estudio, reportamos una eficiencia de Faraday (una medida de la cantidad de electrones que terminaron en los productos deseados) del 50%, que pudimos mantener durante 150 horas», dice Papangelakis.

«Hay algunos catalizadores que podrían comenzar con una eficiencia más alta, tal vez del 75% o del 80%. Pero nuevamente, si estás expuesto al dióxido de azufre, en cuestión de minutos o como máximo en unas pocas horas, esa eficiencia cae a casi cero. He podido combatir eso.» «

Tendencias e implicaciones futuras

Papangelakis afirma que el enfoque de su equipo no afecta a la composición del catalizador en sí, por lo que debería aplicarse de forma amplia. En otras palabras, los equipos que ya dominan los catalizadores de alto rendimiento deberían poder utilizar recubrimientos similares para darles resistencia al envenenamiento por óxido de azufre.

Aunque los óxidos de azufre son la impureza más desafiante en los flujos de desechos típicos, no son las únicas impurezas, ya que a continuación el equipo analiza toda la gama de contaminantes químicos.

«Hay muchas otras impurezas a tener en cuenta, como los óxidos de nitrógeno, el oxígeno, etc.», afirma Papangelakis.

“Pero el hecho de que este método funcione muy bien con los óxidos de azufre es muy prometedor. Antes de este trabajo, se daba por sentado que era necesario eliminar las impurezas antes de mejorar el dióxido de carbono. Lo que hemos demostrado es que puede haber una forma diferente. afrontarlo, lo que abre muchas posibilidades nuevas”.

Referencia: “Mejora de la tolerancia al SO2 de los electrocatalizadores de reducción de CO2 mediante el diseño de heterouniones de polímero/catalizador/ionómero” por Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Shi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu y Ning Sun, Colin B. O 'Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qinfeng Xiao, Mingsha Li, Behrouz Khater, Jian'an Eric Huang, Yakun Wang, Yu-Celin Xiao, Feng Li, Ali Shaisteh Zarate, Qiang Zhang, Pingyu Liu, Kevin Golovin y Jin Wei Hao, Hongjian Liang, Xiyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent y David Sinton, 4 de julio de 2024. La energía de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9