Representación de un artista de un nuevo proceso electrocatalítico que puede convertir el dióxido de carbono y el agua en etanol. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne
Un equipo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional de Argonne, el Universidad de ChicagoLa Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker y la Universidad del Norte de Illinois han descubierto un nuevo electrocatalizador que puede convertir constantemente el dióxido de carbono y el agua en etanol con una eficiencia energética muy alta y un bajo costo.
Debido a que el dióxido de carbono es una molécula estable, transformarlo en una molécula diferente normalmente requiere mucha energía y es costoso.
Pero el nuevo proceso puede convertir electroquímicamente el dióxido de carbono emitido por los procesos industriales, como las plantas de fermentación de combustibles fósiles o alcohol, en un producto valioso a un costo razonable. El etanol es un ingrediente en casi toda la gasolina estadounidense y se usa ampliamente como producto intermedio en las industrias química, farmacéutica y cosmética.
“El proceso resultante de nuestro catalizador contribuiría a la economía circular del carbono, que implica la reutilización del dióxido de carbono”, dijo Di-Jia Liu, químico senior de la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne y científico de UChicago CASE en la Escuela de Molecular Pritzker. Ingeniería en la Universidad de Chicago.
Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Energía de la naturaleza.
El catalizador del equipo consiste en cobre disperso atómicamente sobre un soporte de polvo de carbono. Mediante una reacción electroquímica, este catalizador descompone el dióxido de carbono y las moléculas de agua y vuelve a ensamblar selectivamente las moléculas rotas en etanol bajo un campo eléctrico externo.
“El proceso resultante de nuestro catalizador contribuiría a la economía circular del carbono, lo que implica la reutilización del dióxido de carbono”. – Di-Jia Liu, químico senior de la división de Ingeniería y Ciencias Químicas de Argonne y científico de CASE de UChicago
Los intentos anteriores de este proceso a menudo no son muy buenos para convertir completamente el dióxido de carbono. Pero la selectividad electrocatalítica, o “eficiencia faradaica”, del nuevo método es más del 90%, mucho más alta que cualquier otro proceso informado. Además, el catalizador funciona de forma estable durante un funcionamiento prolongado a bajo voltaje.
“Podríamos acoplar el proceso electroquímico de conversión de dióxido de carbono a etanol utilizando nuestro catalizador a la red eléctrica y aprovechar la electricidad de bajo costo disponible de fuentes renovables como la solar y la eólica durante las horas de menor actividad”, dijo Liu.
Debido a que el proceso se ejecuta a baja temperatura y presión, puede iniciarse y detenerse rápidamente en respuesta al suministro intermitente de electricidad renovable.
“Hemos preparado varios catalizadores nuevos utilizando este enfoque y descubrimos que todos son muy eficientes en la conversión de dióxido de carbono en otros hidrocarburos”, dijo Liu. “Planeamos continuar esta investigación en colaboración con la industria para hacer avanzar esta tecnología prometedora”.
La investigación del equipo se benefició de la Fuente de fotones avanzada y el Centro de materiales a nanoescala de Argonne, así como de su Centro de recursos informáticos de laboratorio.
“Gracias al alto flujo de fotones de los haces de rayos X en el APS, hemos capturado los cambios estructurales del catalizador durante la reacción electroquímica”, dijo Tao Li, profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica de Northern Universidad de Illinois y científico asistente en la división de ciencia de rayos X de Argonne
“Con esta investigación, hemos descubierto un nuevo mecanismo catalítico para convertir el dióxido de carbono y el agua en etanol”, dijo el coautor Tao Xu, profesor de química física y nanotecnología de la Universidad del Norte de Illinois. “El mecanismo también debería proporcionar una base para el desarrollo de electrocatalizadores altamente eficientes para la conversión de dióxido de carbono en una amplia gama de productos químicos de valor agregado”.
Para obtener más información sobre esta investigación, lea El nuevo electrocatalizador convierte el dióxido de carbono en combustible líquido.
Referencia: “CO electrocatalítico altamente selectivo2 reducción a etanol por racimos metálicos formados dinámicamente a partir de cobre disperso atómicamente ”por Haiping Xu, Dominic Rebollar, Haiying He, Lina Chong, Yuzi Liu, Cong Liu, Cheng-Jun Sun, Tao Li, John V. Muntean, Randall E. Winans, Di-Jia Liu y Tao Xu, 27 de julio de 2020, Energía de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41560-020-0666-x
Además de Liu y Xu, los autores incluyen a Haiping Xu, Dominic Rebollar, Haiying He, Lina Chong, Yuzi Liu, Cong Liu, Cheng-Jun Sun, Tao Li, John V. Muntean y Randall E. Winans.
Financiamiento: Investigación y desarrollo dirigidos por el laboratorio de Argonne (Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.).
