Reciclaje de CO₂: ¿Cuál es el papel del electrolito?
Cómo evitar la obstrucción de los cátodos
El gas de efecto invernadero dióxido de carbono puede convertirse en hidrocarburos útiles mediante electrólisis. El diseño de la célula de electrólisis es crucial en este proceso. La llamada célula de hueco cero es especialmente adecuada para los procesos industriales. Pero sigue habiendo problemas: Los cátodos se obstruyen rápidamente. En el HZB, Matthew Mayer y su equipo han investigado las causas y la forma de evitar este proceso indeseable.
La medición EDX muestra que a mayores concentraciones de compuestos de potasio disueltos en el electrolito, se depositan cristales de potasio en el cátodo (esquina superior derecha).
© HZB
La combustión de petróleo, carbón o gas natural produce dióxido de carbono, oCO2. Este famoso gas de efecto invernadero es uno de los principales responsables del calentamiento global, pero también es una materia prima. Técnicamente es posible convertirel CO2 en compuestos de carbono útiles, un proceso que requiere energía, agua, electrodos adecuados y catalizadores especiales. ElCO2 puede convertirse electroquímicamente en monóxido de carbono, formiato o metano, pero también en etileno, propanol, acetato y etanol. Sin embargo, los procesos industriales deben diseñarse para ser altamente selectivos y extremadamente eficientes para producir sólo los productos deseados y no una mezcla de productos.
Reconvertir elCO2 en combustible
"Al reducir electrolíticamenteel CO2 a hidrocarburos útiles, podemos producir nuevos combustibles sin utilizar recursos fósiles. De este modo, devolvemos elCO2 al ciclo, como si recicláramos", explica el Dr. Matthew Mayer, director del Grupo Helmholtz de Jóvenes Investigadores "Conversión electroquímica" en el HZB. La energía eléctrica para la electrólisis puede proceder de energías renovables, como la eólica o la solar, lo que hace que el proceso sea sostenible.
La célula de hueco cero: un sándwich de muchas capas
Desde la escuela, sabemos que la electrólisis puede realizarse en un simple vaso de precipitados con agua; un desarrollo posterior de esto es la célula H, que tiene la forma de la letra H. Sin embargo, estas células no son adecuadas para uso industrial. En su lugar, los electrolizadores industriales se diseñan con una arquitectura en sándwich formada por varias capas: A derecha e izquierda están los electrodos que conducen la corriente y están recubiertos de catalizadores, una capa de difusión de gas a base de cobre que deja pasar el gasCO2 y una membrana de separación. El electrolito (aquí suministrado en el ánodo y llamado anolito) consiste en compuestos de potasio disueltos y permite que los iones se muevan entre los electrodos. La membrana está diseñada para permitir el paso de los iones cargados negativamente y bloquear los iones de potasio cargados positivamente.
El problema: los cristales de potasio
Sin embargo, los iones de potasio del electrolito atraviesan la membrana y forman pequeños cristales en el cátodo que obstruyen los poros. "Esto no debería ocurrir", afirma Flora Haun, estudiante de doctorado del equipo de Matthew Mayer. Mediante microscopía electrónica de barrido y otras técnicas de imagen, los científicos pudieron estudiar con detalle el proceso de formación de cristales en el cátodo. "Con el análisis de energía dispersiva de rayos X, pudimos localizar los elementos individuales y mostrar exactamente dónde se formaban los cristales de potasio", explica Flora Haun.
Cuanto más potasio contiene el electrolito, más se obstruye el cátodo, demostraron las investigaciones. Pero no hay una forma sencilla de resolver el problema: reducir la concentración de potasio es bueno por un lado, pero malo por otro, ya que el equilibrio de la reacción también se desplaza: en lugar del deseado etileno, se produce monóxido de carbono.
El electrolito es la clave
"La observación más importante es que los cationes aún pueden penetrar en la membrana de intercambio aniónico, pero en una medida que depende de la concentración del electrolito. Y que con la concentración del electrolito regulamos simultáneamente qué productos se forman a partir delCO2", afirma el Dr. Gumaa El Nagar, investigador postdoctoral del equipo. "En el siguiente paso, queremos utilizar mediciones operando e in situ con rayos X para averiguar en detalle cómo afecta la migración de iones en la célula a los procesos de reacción química", dice Matthew Mayer.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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