Mientras el mundo lucha por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los investigadores buscan formas prácticas y económicas de capturar el dióxido de carbono y convertirlo en productos útiles como combustible para el transporte, materia prima química o incluso materiales de construcción. Pero hasta ahora, esos esfuerzos han tenido dificultades para lograr resultados económicos.

Una nueva investigación realizada por ingenieros del MIT podría conducir a mejoras rápidas en varios sistemas electroquímicos en desarrollo para convertir el dióxido de carbono en un producto valioso. El equipo desarrolló un nuevo diseño para los electrodos utilizados en estos sistemas, que aumenta la eficiencia del proceso de conversión.

Los resultados se publicarán en la revista. comunicación de la naturalezaEn un artículo del estudiante de doctorado del MIT Simon Rufer, profesor de Ingeniería Mecánica Kripa Varanasi y otras tres personas.

“Cío2 “El problema es un gran desafío para nuestro tiempo y estamos utilizando todo tipo de palancas para abordarlo y resolverlo”, dice Varanasi. Encontrar formas prácticas de eliminar el gas será esencial, afirma, ya sea de fuentes como la energía. emisiones, o directamente, pero una vez el CO del aire o del océano.2 Movido, debe ir a alguna parte.

Se han desarrollado varios sistemas para convertir ese gas en un producto químico útil, dijo Varanasi. “No es que no podamos hacerlo, podemos hacerlo. Pero la pregunta es ¿cómo podemos hacerlo eficiente? ¿Cómo podemos hacerlo asequible?”.

En el nuevo estudio, el equipo se centró en la conversión electroquímica de CO2 Del etileno, una sustancia química ampliamente utilizada que se puede convertir en una variedad de plásticos y combustibles, y que hoy se fabrica a partir del petróleo. Pero el método que desarrollaron también podría aplicarse a la producción de otros productos químicos de alto valor, como metano, metanol, monóxido de carbono y otros, dijeron los investigadores.

Actualmente, el etileno se vende a unos 1.000 dólares la tonelada, por lo que el objetivo es igualar o superar ese precio. Procesos electroquímicos que convierten CO2 El etileno implica una solución a base de agua y un material catalítico, que interactúa con una corriente eléctrica en un dispositivo llamado electrodo de difusión de gas.

Los materiales de los electrodos de difusión de gas tienen dos propiedades competitivas que afectan su rendimiento: deben ser buenos conductores eléctricos para que la corriente del proceso no sea destruida por el calentamiento resistivo, pero también deben ser “hidrófobos” o agua. resiste, por lo que la solución electrolítica a base de agua no gotea y no interfiere con las reacciones que ocurren en la superficie del electrodo.

Desafortunadamente, esto es una compensación. Mejorar la conductividad reduce la hidrofobicidad y viceversa. Varanasi y su equipo se propusieron ver si podían encontrar una manera de abordar ese conflicto y, después de meses de intentarlo, lo lograron.

La solución ideada por Roofer y Varanasi es elegante por su sencillez. Utilizaron un material plástico, PTFE (básicamente teflón), que se sabe que tiene buenas propiedades hidrofóbicas. Sin embargo, la falta de conductividad del PTFE significa que los electrones deben pasar a través de una capa de catalizador muy delgada, lo que resulta en una caída de voltaje significativa con la distancia. Para superar esta limitación, los investigadores tejieron una serie de cables de cobre conductores a través de una lámina muy delgada de PTFE.

“Este trabajo realmente aborda este desafío, porque ahora podemos obtener tanto conductividad como hidrofobicidad”, dice Varanasi.

La investigación sobre posibles sistemas de conversión de carbono se realiza en muestras muy pequeñas a escala de laboratorio, generalmente de menos de 2,5 centímetros cuadrados (1 pulgada). Para demostrar la viabilidad de la ampliación, el equipo de Varanasi creó una hoja 10 veces más grande y demostró su rendimiento eficaz.

Para llegar a ese punto, tuvieron que hacer algunos experimentos preliminares que aparentemente nunca se habían hecho antes, realizando experimentos en las mismas condiciones pero usando electrodos de diferentes tamaños para analizar la relación entre la conductividad y el tamaño del electrodo. Descubrieron que la conductividad disminuía drásticamente con el tamaño, lo que significaba mucha más energía y, por tanto, coste para impulsar la reacción.

“Eso es exactamente lo que esperaríamos, pero es algo que nadie ha investigado de forma específica antes”, afirma Rufer. Además, los tamaños más grandes producen más subproductos químicos no deseados además del etileno previsto.

Las aplicaciones industriales del mundo real requerirían electrodos que quizás sean 100 veces más grandes que las versiones de laboratorio, por lo que sería necesario agregar cables conductores para que tales sistemas sean prácticos, dicen los investigadores. También desarrollaron un modelo que captura la variabilidad espacial del voltaje y la distribución del producto en los electrodos debido a las pérdidas óhmicas. El modelo, junto con los datos experimentales que recopilaron, les permitió calcular el espaciado óptimo de los cables conductores para evitar la caída de la conductividad.

En efecto, al tejer cables a través del material, éste se divide en subsecciones más pequeñas determinadas por el espaciamiento de los cables. “Lo dividimos en un montón de pequeñas subunidades, cada una de las cuales es efectivamente un pequeño electrodo”, dice Rufer. “Y como hemos visto, los electrodos pequeños pueden funcionar muy bien”.

Debido a que el alambre de cobre es mucho más conductor que el material de PTFE, actúa como una especie de superautopista por la que pasan los electrones, donde quedan confinados al sustrato y encuentran una mayor resistencia.

Para demostrar que su sistema es robusto, los investigadores hicieron funcionar un electrodo de prueba de forma continua durante 75 horas con pocos cambios en el rendimiento. En general, dice Ruffer, su sistema es “el primer electrodo basado en PTFE que va más allá de la escala de laboratorio en el orden de 5 cm o menos. Es el primer trabajo que ha progresado a una escala mucho mayor y lo ha hecho sin sacrificar la eficiencia”.

El proceso de tejido para incorporar alambre se puede integrar fácilmente en los procesos de fabricación existentes, incluso en un proceso de rollo a rollo a gran escala, añade.

“Nuestro método es muy poderoso porque no tiene nada que ver con el uso de catalizadores reales”, dijo Rufer. “Puede coser este alambre de cobre micrométrico en cualquier electrodo de difusión de gas que desee, independientemente de la morfología o la química del catalizador. Por lo tanto, este método se puede utilizar para escalar el electrodo de cualquier persona”.

“Tenemos que procesar gigatoneladas de CO2 Cada año para luchar contra el CO2 desafío, realmente necesitamos pensar en soluciones que puedan escalar”, dice Varanasi. “Comenzar con esta mentalidad nos permite identificar cuellos de botella críticos y desarrollar enfoques innovadores que pueden tener un impacto significativo en la resolución de problemas. Nuestros electrodos secuencialmente conductores son el resultado de tal pensamiento”.

El equipo de investigación incluyó a los estudiantes graduados del MIT Michael Nietzsche y Sanjay Garimella, así como a Jack Lake Ph.D. El trabajo contó con el apoyo de Shell a través de la Iniciativa Energética del MIT.

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