El tándem cobalto-cobre convierte con éxito el dióxido de carbono en etanol
La sostenibilidad en el punto de mira de la investigación química
La emisión continua de dióxido de carbono a la atmósfera contribuye en gran medida al calentamiento global y al cambio climático, con el aumento de fenómenos meteorológicos extremos. Científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) han presentado ahora un método para convertir eficazmente el dióxido de carbono en etanol, que queda así disponible como materia prima sostenible para aplicaciones químicas. "Podemos eliminar el gas de efecto invernadero CO₂ del medio ambiente y reintroducirlo en un ciclo sostenible del carbono", explicó el profesor Carsten Streb, del Departamento de Química de la JGU. Su grupo de trabajo ha demostrado cómo el dióxido de carbono puede convertirse electrocatalíticamente en etanol. Si se utilizara electricidad verde, el proceso también sería sostenible y los cultivos alimentarios que actualmente se emplean para producir etanol para combustibles volverían a estar disponibles para la alimentación. Según Carsten Streb, la conversión, que hasta ahora se ha llevado a cabo a escala de laboratorio, también podría realizarse a mayor escala. Los resultados de la investigación se publican ahora en la revista ACS Catalysis.
El tándem ideal provoca una conversión electrocatalítica selectiva
La conversión electroquímica del CO₂ en productos multicarbónicos como el etanol sería una forma ideal de obtener combustibles con alta densidad energética y valiosas materias primas químicas, al tiempo que se utiliza el CO₂ como material de partida y se elimina así de la atmósfera en cierta medida. "Para ello, necesitamos catalizadores adecuados que gestionen esta conversión con alta selectividad, de modo que obtengamos un alto rendimiento del producto deseado, en nuestro caso etanol", afirma Carsten Streb.
Para ello, su grupo de investigación ha diseñado un electrodo especial en el que tienen lugar las reacciones químicas. Está recubierto de un polvo negro que contiene cobalto y cobre en cantidades dosificadas con precisión. Los dos metales también tienen que asentarse en el electrodo a distancias muy concretas. "El reto inicial es conseguir que el dióxido de carbono reaccione. Hay enlaces muy fuertes entre los átomos de la molécula, pero el cobalto puede romperlos", explica Streb. Esto produce inicialmente monóxido de carbono, que no es una materia prima ideal para la industria química. Por eso se utiliza cobre en un segundo paso, que organiza la reacción para producir etanol. "Sin embargo, esto sólo funciona si el cobalto y el cobre están cerca el uno del otro en el electrodo", comenta el químico sobre el truco real que condujo al éxito.
Los valores máximos de selectividad aumentarán aún más
La selectividad del proceso es del 80%, es decir, el 80% del material de partida se convierte en etanol, el mejor resultado logrado en la investigación hasta la fecha. El Dr. Soressa Abera Chala desempeñó un papel clave en la optimización de los resultados. Es el primer autor de la publicación y vino a Maguncia desde Etiopía con una beca de investigación Humboldt como investigador postdoctoral. Dos coautores, el Dr. Rongji Liu y la Dra. Ekemena Oseghe, también trabajan en el campo de Streb como becarios de la Fundación Alexander von Humboldt. En la actualidad, el grupo trabaja para aumentar aún más el rendimiento hasta el 90 o el 95 por ciento. Sería deseable un catalizador que alcanzara incluso el 100% de selectividad, de modo que al final no quedaran otras sustancias, sólo etanol.
Cooperación en el marco del Centro de Investigación Colaborativa/Transregio "CataLight"
Esto también depende del control del proceso, pero sobre todo de la carga del electrodo con cobalto y cobre. "Hay que poder ver los átomos individuales. Esto sólo es posible con un microscopio electrónico especial", dice Streb. Los químicos de Maguncia colaboran con la Universidad de Ulm en el marco del Centro de Investigación Colaborativa/Transregio 234 "CataLight". En última instancia, el catalizador no sólo debe ser eficaz, sino también funcionar bien durante el mayor tiempo posible. La estabilidad del sistema, como ha demostrado la investigación, es excelente y no muestra pérdida de rendimiento ni siquiera después de varios meses.
Por último, hay otro aspecto que caracteriza al tándem cobalto-cobre y que es un factor clave en la elección de los metales: Son abundantes en la Tierra. Todo el proceso podría realizarse también con metales preciosos como el platino o el paladio, pero a un precio elevado que no ofrece perspectivas industriales.
La producción sostenible de etanol conserva los recursos alimentarios y proporciona nueva energía
"Al utilizar como catalizadores materias primas disponibles en todo el mundo, seguimos un planteamiento de la investigación actual de centrarnos cada vez más en los metales no preciosos", explica Carsten Streb. En el futuro, este proceso podría utilizarse para producir etanol de forma sostenible a partir de electricidad verde y dióxido de carbono, por ejemplo, de centrales eléctricas. Actualmente se producen grandes cantidades de etanol a partir de caña de azúcar o maíz en Brasil, entre otros lugares, lo que significa que estos cultivos alimentarios ya no están disponibles para la población. El proceso que aquí se presenta abriría, por tanto, una vía nueva y sostenible de producir etanol, que podría almacenarse y utilizarse para la generación descentralizada de electricidad en caso necesario.
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 Alemán se puede encontrar aquí.
Publicación original
Soressa Abera Chala, Rongji Liu, Ekemena O. Oseghe, Simon T. Clausing, Christopher Kampf, Joachim Bansmann, Adam H. Clark, Yazhou Zhou, Ingo Lieberwirth, Johannes Biskupek, Ute Kaiser, Carsten Streb; "Selective Electroreduction of CO2 to Ethanol via Cobalt–Copper Tandem Catalysts"; ACS Catalysis, 2024-10-5
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