Un catalizador de nuevo diseño creado por investigadores de ingeniería de la Universidad de Toronto convierte de manera eficiente el carbono capturado en productos valiosos, incluso en presencia de un contaminante que degrada el rendimiento de las versiones actuales.

El descubrimiento es un paso importante hacia técnicas económicamente más favorables para la captura y almacenamiento de carbono que podrían agregarse a los procesos industriales existentes.

"Hoy tenemos más y mejores opciones que nunca para la generación de electricidad con bajas emisiones de carbono", afirma el profesor David Sinton, autor principal de un estudio.papelpublicado enEnergía de la naturalezaque describe lo nuevocatalizador.

"Pero hay otros sectores de la economía que serán más difíciles de descarbonizar: por ejemplo, la fabricación de acero y cemento. Para ayudar a esas industrias, necesitamos inventar formas rentables de capturar y mejorar el carbono en sus flujos de desechos".

Sinton y su equipo utilizan dispositivos conocidos como electrolizadores para convertir CO₂y electricidad en productos como etileno y etanol.Estas moléculas a base de carbono pueden venderse como combustibles o utilizarse como materia prima química para fabricar artículos cotidianos como el plástico.

Dentro del electrolizador, la reacción de conversión ocurre cuando tres elementos: CO₂El gas, los electrones y un electrolito líquido a base de agua se unen 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 minimizar la creación de productos secundarios indeseables, como el gas hidrógeno, que reducen la eficiencia del proceso general.

Si bien muchos equipos en todo el mundo han producido catalizadores de alto rendimiento, casi todos están diseñados para operar con CO puro.₂alimentar.Pero si el carbono en cuestión proviene de chimeneas, es probable que la alimentación sea todo menos pura.

"A los diseñadores de catalizadores generalmente no les gusta lidiar con impurezas, y con razón", dice Panos Papangelakis, Ph.D.estudiante de ingeniería mecánica y uno de los cinco coautores principales del nuevo artículo.

"Los óxidos de azufre, como el SO₂, envenena el catalizador uniéndose a la superficie.Esto deja menos sitios para el CO₂reaccionar, y también provoca la formación de sustancias químicas que no desea.

"Sucede muy rápido: mientras que algunos catalizadores pueden durar cientos de horas con una alimentación pura, si se introducen estas impurezas, en cuestión de minutos pueden reducir su eficiencia al 5%".

Aunque existen métodos bien establecidos para eliminar las impurezas del CO₂gases de escape ricos en gases de escape antes de introducirlos en el electrolizador, toman tiempo, requieren energía y aumentan el coste decaptura de carbonoy actualización.Además, en el caso de SO₂, incluso un poquito puede ser un gran problema.

"Incluso si traes tugases de escapehasta menos de 10 partes por millón, o 0,001% de la alimentación, el catalizador aún puede envenenarse en menos de 2 horas", dice Papangelakis.

En el artículo, el equipo describe cómo diseñaron un catalizador más resistente que pudiera resistir SO₂haciendo dos cambios clave en un catalizador típico a base de cobre.

Por un lado, añadieron una fina capa de politeterafluoroetileno, también conocido como teflón.Este material antiadherente cambia la química en la superficie del catalizador, impidiendo las reacciones que permiten que el SO₂que se produzca el envenenamiento.

Por otro lado, añadieron una capa de Nafion, un polímero conductor de electricidad que se utiliza a menudo en las pilas de combustible.Este material complejo y poroso contiene algunas áreas que son hidrófilas, lo que significa que atraen agua, así como otras áreas que son hidrófobas, lo que significa que repelen el agua.Esta estructura dificulta que SO₂para llegar a la superficie del catalizador.

Luego, el equipo alimentó este catalizador con una mezcla de CO.₂y entonces₂, este último en una concentración de aproximadamente 400 partes por millón, típica de un flujo de residuos industriales.Incluso en estas duras condiciones, el nuevo catalizador funcionó bien.

"En el artículo, informamos una eficiencia de Faraday (una medida de cuántos electrones terminaron en los productos deseados) del 50%, que pudimos mantener durante 150 horas", dice Papangelakis.

"Existen algunos catalizadores que podrían comenzar con una eficiencia más alta, tal vez del 75% o del 80%. Pero nuevamente, si los expones a SO₂, en cuestión de minutos o como máximo un par de horas, eso se reduce a casi nada.Pudimos resistir eso".

Papangelakis dice que debido a que el enfoque de su equipo no afecta la composición del catalizador en sí, debería ser ampliamente aplicable.En otras palabras, los equipos que ya han perfeccionado catalizadores de alto rendimiento deberían poder utilizar recubrimientos similares para conferir 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 los únicos, y es el conjunto completo de contaminantes químicos al que el equipo recurrirá a continuación.

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

"Pero el hecho de que este enfoque funcione tan bien para los óxidos de azufre es muy prometedor. Antes de este trabajo, se daba por sentado que habría que eliminar las impurezas antes de mejorar el CO₂.Lo que hemos demostrado es que podría haber una forma diferente de abordarlos, lo que abre muchas posibilidades nuevas".