Un combo catalítico convierte el CO2 en nanofibras sólidas de carbono
La conversión electrocatalítica-térmocatalítica en tándem podría ayudar a compensar las emisiones de un potente gas de efecto invernadero al retener el carbono en un material útil
Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) y de la Universidad de Columbia han desarrollado una forma de convertir el dióxido de carbono (CO2), un potente gas de efecto invernadero, en nanofibras de carbono, materiales con una amplia gama de propiedades únicas y muchos usos potenciales a largo plazo. Su estrategia utiliza reacciones electroquímicas y termoquímicas en tándem a temperaturas relativamente bajas y a presión ambiente. Tal y como describen los científicos en la revista Nature Catalysis, este método podría bloquear con éxito el carbono en una forma sólida útil para compensar o incluso conseguir emisiones negativas de carbono.
"Se pueden introducir las nanofibras de carbono en el cemento para fortalecerlo", explica Jingguang Chen, profesor de Ingeniería Química en Columbia con un puesto conjunto en el laboratorio Brookhaven, que dirigió la investigación. "De este modo, el carbono quedaría encerrado en el cemento durante al menos 50 años, o incluso más. Para entonces, el mundo debería haber cambiado a fuentes de energía renovables que no emitan carbono".
Además, el proceso produce hidrógeno gaseoso (H2), un prometedor combustible alternativo que, cuando se utiliza, genera cero emisiones.
Capturar o convertir el carbono
La idea de capturar CO2 o convertirlo en otros materiales para combatir el cambio climático no es nueva. Pero el simple almacenamiento de gas CO2 puede dar lugar a fugas. Y muchas conversiones de CO2 producen productos químicos o combustibles a base de carbono que se utilizan inmediatamente, lo que libera CO2 de nuevo a la atmósfera.
"La novedad de este trabajo es que intentamos convertir el CO2 en algo con valor añadido, pero en forma sólida y útil", explica Chen.
Estos materiales sólidos de carbono -nanotubos y nanofibras de carbono con dimensiones de milmillonésimas de metro- tienen muchas propiedades atractivas, como resistencia y conductividad térmica y eléctrica. Pero no es fácil extraer el carbono del dióxido de carbono y conseguir que se ensamble en estas estructuras a pequeña escala. Un proceso directo, basado en el calor, requiere temperaturas superiores a los 1.000 grados Celsius.
"Es muy poco realista para la mitigación del CO2 a gran escala", dijo Chen. "En cambio, hemos encontrado un proceso que puede producirse a unos 400 grados Celsius, que es una temperatura mucho más práctica e industrialmente alcanzable".
El tándem de dos pasos
El truco consistía en dividir la reacción en etapas y utilizar dos tipos distintos de catalizadores, es decir, materiales que facilitan la unión y reacción de las moléculas.
"Si se desacopla la reacción en varias etapas de subreacción, se puede considerar el uso de distintos tipos de aporte energético y catalizadores para que cada parte de la reacción funcione", explica Zhenhua Xie, investigador del Laboratorio Brookhaven y de la Universidad de Columbia y autor principal del artículo.
Los científicos empezaron por darse cuenta de que el monóxido de carbono (CO) es un material de partida mucho mejor queel CO2 para fabricar nanofibras de carbono (CNF). Después dieron marcha atrás para encontrar la forma más eficaz de generar CO a partir de CO2.
Un trabajo anterior de su grupo les llevó a utilizar un electrocatalizador comercial de paladio sobre carbono. Los electrocatalizadores impulsan las reacciones químicas mediante una corriente eléctrica. En presencia de electrones y protones, el catalizador divide el CO2 y el agua (H2O) en CO y H2.
Para el segundo paso, los científicos recurrieron a un termocatalizador activado por calor fabricado con una aleación de hierro y cobalto. Funciona a temperaturas en torno a los 400 grados centígrados, bastante más suaves de lo que requeriría una conversión directade CO2 en CNF. También descubrieron que añadir un poco más de cobalto metálico mejora mucho la formación de las nanofibras de carbono.
"Al acoplar la electrocatálisis y la termocatálisis, estamos utilizando este proceso en tándem para lograr cosas que no se pueden conseguir con ninguno de los dos procesos por separado", afirma Chen.
Caracterización de catalizadores
Para descubrir los detalles del funcionamiento de estos catalizadores, los científicos llevaron a cabo una amplia gama de experimentos. Entre ellos, estudios de modelización computacional, estudios de caracterización física y química en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II) del Laboratorio Brookhaven -utilizando las líneas de luz de Absorción y Dispersión Rápida de Rayos X (QAS) y Espectroscopía de Caparazón Interno (ISS)- e imágenes microscópicas en la instalación de Microscopía Electrónica del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del Laboratorio.
En cuanto a la modelización, los científicos utilizaron cálculos de "teoría funcional de la densidad" (DFT) para analizar la disposición atómica y otras características de los catalizadores cuando interactúan con el entorno químico activo.
"Estamos estudiando las estructuras para determinar cuáles son las fases estables del catalizador en las condiciones de reacción", explicó Ping Liu, coautor del estudio y director de los cálculos, de la División de Química de Brookhaven. "Observamos los sitios activos y cómo se enlazan con los productos intermedios de la reacción. Al determinar las barreras, o estados de transición, de un paso a otro, aprendemos exactamente cómo está funcionando el catalizador durante la reacción."
Los experimentos de difracción y absorción de rayos X llevados a cabo en el NSLS-II permitieron determinar cómo cambian física y químicamente los catalizadores durante las reacciones. Por ejemplo, los rayos X de sincrotrón revelaron cómo la presencia de corriente eléctrica transforma el paladio metálico del catalizador en hidruro de paladio, un metal clave para producir H2 y CO en la primera etapa de la reacción.
Para la segunda etapa, "queríamos saber cuál es la estructura del sistema hierro-cobalto en las condiciones de reacción y cómo optimizar el catalizador hierro-cobalto", explicó Xie. Los experimentos con rayos X confirmaron que tanto una aleación de hierro y cobalto como algo más de cobalto metálico están presentes y son necesarios para convertir el CO en nanofibras de carbono.
"Los dos trabajan juntos secuencialmente", dijo Liu, cuyos cálculos DFT ayudaron a explicar el proceso.
"Según nuestro estudio, los sitios de cobalto-hierro de la aleación ayudan a romper los enlaces C-O del monóxido de carbono. Esto hace que el carbono atómico esté disponible para servir de fuente para la construcción de nanofibras de carbono. El cobalto adicional facilita la formación de los enlaces C-C que unen los átomos de carbono", explica.
Listo para el reciclaje, carbono negativo
"El análisis de microscopía electrónica de transmisión (MET) realizado en el CFN reveló las morfologías, estructuras cristalinas y distribuciones elementales de las nanofibras de carbono con y sin catalizadores", explica Sooyeon Hwang, científico del CFN y coautor del estudio.
Las imágenes muestran que, a medida que crecen las nanofibras de carbono, el catalizador es empujado hacia arriba y se aleja de la superficie. Esto facilita el reciclaje del metal catalítico, explica Chen.
"Utilizamos ácido para lixiviar el metal sin destruir la nanofibra de carbono, de modo que podemos concentrar los metales y reciclarlos para volver a utilizarlos como catalizador", explicó.
Esta facilidad de reciclado del catalizador, la disponibilidad comercial de los catalizadores y las condiciones relativamente suaves de la segunda reacción contribuyen a una evaluación favorable de los costes energéticos y de otro tipo asociados al proceso, según los investigadores.
"Para las aplicaciones prácticas, ambos aspectos son realmente importantes: el análisis de la huella de CO2 y la reciclabilidad del catalizador", afirma Chen. "Nuestros resultados técnicos y estos otros análisis demuestran que esta estrategia en tándem abre una puerta a la descarbonización del CO2 en valiosos productos de carbono sólido al tiempo que se produce H2 renovable".
Si estos procesos se impulsan con energía renovable, los resultados serían realmente carbono-negativos, lo que abriría nuevas oportunidades de mitigación del CO2.
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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