¿Y si pudiéramos revivir el dióxido de carbono residual?
KIMS y KAIST desarrollan un proceso de síntesis catalítica y una tecnología de control de precisión para maximizar la eficiencia de conversión del dióxido de carbono
A medida que la gravedad del cambio climático y las emisiones de carbono se convierten en una preocupación mundial, se necesitan urgentemente tecnologías para convertir el dióxido de carbono (CO₂) en recursos como combustibles y compuestos químicos. El equipo de investigación de la Dra. Dahee Park, de la División de Investigación de Nanomateriales del Instituto Coreano de Ciencia de Materiales (KIMS), ha colaborado con el equipo del profesor Jeong-Young Park, del Departamento de Química del KAIST, para desarrollar una tecnología catalizadora que mejore significativamente la eficiencia de la conversión del dióxido de carbono (CO2).
Ilustración esquemática de la reacción mejorada de conversión de CO2 conseguida mediante los efectos sinérgicos de los catalizadores de doble átomo único
Korea Institute of Materials Science (KIMS)
Las tecnologías convencionales de conversión de dióxido de carbono (CO2) se han enfrentado a problemas de comercialización debido a su baja eficiencia en relación con el elevado consumo de energía. En concreto, los catalizadores monoatómicos (SAC) adolecen de complejos procesos de síntesis y dificultades para mantener una unión estable con los soportes de óxido metálico, que son cruciales para estabilizar las partículas del catalizador y mejorar su durabilidad. Como consecuencia, el rendimiento de estos catalizadores ha sido limitado.
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación desarrolló tecnologías de catalizadores de uno y dos átomos (DSAC) e introdujo un proceso simplificado para mejorar la eficacia de los catalizadores. Este logro utiliza las interacciones electrónicas entre metales en los catalizadores de doble átomo único (DSAC), consiguiendo mayores tasas de conversión y una excelente selectividad (la capacidad de un catalizador para dirigir la producción de los productos deseados) en comparación con las tecnologías existentes.
Esta tecnología implica un enfoque de diseño de catalizadores que controla con precisión las vacantes de oxígeno y las estructuras defectuosas dentro de los soportes de óxido metálico, mejorando significativamente la eficiencia y la selectividad de las reacciones de conversión del dióxido de carbono (CO2). Las vacantes de oxígeno facilitan la adsorción de CO2 en la superficie del catalizador, mientras que los catalizadores de uno o dos átomos ayudan a la adsorción de hidrógeno (H2). La acción combinada de las vacantes de oxígeno, los átomos simples y los átomos dobles simples permite la conversión eficaz del CO2 con H2 en los compuestos deseados. En concreto, los catalizadores de doble átomo único (DSAC) utilizan interacciones electrónicas entre dos átomos metálicos para regular activamente la vía de reacción y maximizar la eficiencia.
El equipo de investigación aplicó el método de pirólisis por pulverización asistida por aerosol para sintetizar catalizadores mediante un proceso simplificado, demostrando también su potencial para la producción en masa. Este proceso consiste en transformar materiales líquidos en aerosoles (partículas finas similares a la niebla) e introducirlos en una cámara calentada, donde se forma el catalizador sin necesidad de pasos intermedios complejos. Este método permite la dispersión uniforme de los átomos metálicos dentro del soporte de óxido metálico y el control preciso de las estructuras defectuosas. Mediante el control preciso de estas estructuras defectuosas, el equipo pudo formar de forma estable catalizadores de uno o dos átomos (DSAC). Aprovechando los DSAC, redujeron el uso de catalizadores monoatómicos en aproximadamente un 50%, al tiempo que conseguían más del doble de eficiencia de conversión de CO2 que con los métodos convencionales y una selectividad excepcionalmente alta, superior al 99%.
Esta tecnología puede aplicarse en diversos campos, como la síntesis química de combustibles, la producción de hidrógeno y la industria de las energías limpias. Además, la sencillez y la alta eficiencia de producción del método de síntesis del catalizador (pirólisis por pulverización asistida por aerosol) lo hacen muy prometedor para su comercialización.
El Dr. Dahee Park, investigador principal, declaró: "Esta tecnología representa un logro significativo en la mejora drástica del rendimiento de los catalizadores de conversión de CO2, al tiempo que permite su comercialización mediante un proceso simplificado. Se espera que sirva como tecnología básica para lograr la neutralidad del carbono". El profesor Jeong-Young Park, del KAIST, añadió: "Esta investigación proporciona un método relativamente sencillo para sintetizar un nuevo tipo de catalizador monoatómico que puede utilizarse en diversas reacciones químicas. También ofrece una base crucial para el desarrollo de catalizadores de descomposición y utilización del CO2, que es una de las áreas de investigación más urgentes para hacer frente al calentamiento global causado por los gases de efecto invernadero."
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Publicación original
Dahee Park, Seunghwa Hong, Jaebeom Han, YongJoo Kim, Minhee Park, Byunghyun Lee, Yejin Song, Hye Young Koo, Sangsun Yang, Won Bo Lee, Jeong Young Park; "Insights into the synergy effect in dual single-atom catalysts on defective CeO2 under CO2 hydrogenation"; Applied Catalysis B: Environment and Energy, Volume 365
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