Los esfuerzos por convertir el dióxido de carbono en combustibles u otros productos han fracasado en gran medida.
Se prevé que estos procesos podrían reducir considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero.
Ahora, investigadores del MIT han identificado, cuantificado y modelizado una de las principales causas del bajo rendimiento de estos sistemas de conversión.
Además, proponen soluciones para lograr que la conversión tenga éxito en el futuro.
Si los investigadores encontraran una forma de convertir químicamente el dióxido de carbono en combustibles u otros productos, podrían reducir considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, muchos procesos que parecían prometedores en el laboratorio no han dado los resultados esperados al ampliarse a formatos adecuados para su uso en una central eléctrica u otras fuentes de emisiones.
Ahora, investigadores del MIT han identificado, cuantificado y modelizado una de las principales causas del bajo rendimiento de estos sistemas de conversión. El problema resulta ser un agotamiento local del dióxido de carbono gaseoso justo junto a los electrodos que se utilizan para catalizar la conversión. El equipo descubrió que se puede mitigar el problema simplemente aplicando y cortando la corriente en intervalos específicos, lo que permite que el gas vuelva a acumularse hasta alcanzar los niveles necesarios junto al electrodo.
Los resultados, que podrían impulsar el desarrollo de diversos materiales y diseños para sistemas electroquímicos de conversión de dióxido de carbono, se publicaron hoy en la revista Langmuir, en un artículo de Álvaro Moreno Soto, investigador posdoctoral del MIT; Jack Lake, estudiante de posgrado; y Kripa Varanasi, profesor de ingeniería mecánica.
La conversión de CO₂ plantea desafíos
«Creo que mitigar el dióxido de carbono es uno de los desafíos importantes de nuestro tiempo», afirma Varanasi. Gran parte de la investigación en este campo se ha centrado en la captura y el almacenamiento de carbono, mediante los cuales el gas se bombea a algún tipo de depósito subterráneo profundo o se convierte en un sólido inerte, como la piedra caliza. Otra vía prometedora consiste en convertir el gas en otros compuestos de carbono, como metano o etanol para usarlos como combustibles, o etileno, que sirve de precursor para polímeros útiles.
Hay varias formas de realizar estas conversiones, incluidos los procesos electroquímicos, termocatalíticos, fototérmicos o fotoquímicos. «Cada uno de ellos presenta problemas o desafíos», afirma Varanasi. Los procesos térmicos requieren temperaturas muy altas y no producen sustancias químicas de gran valor, un desafío que también se da en los procesos activados por luz, explica. «La eficiencia siempre está en juego, siempre es un problema».
El equipo se ha centrado en los métodos electroquímicos, con el objetivo de obtener «productos con más carbono»: compuestos que contienen más átomos de carbono y suelen ser combustibles de mayor valor por su energía por unidad de peso o volumen. En estas reacciones, el mayor desafío ha sido limitar las reacciones competitivas que pueden producirse al mismo tiempo, en especial la división de las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno.
Las reacciones tienen lugar cuando una corriente de electrolito líquido con dióxido de carbono disuelto pasa sobre una superficie catalítica metálica con carga eléctrica. Sin embargo, al convertirse el dióxido de carbono, deja en la corriente de electrolito una zona donde prácticamente se ha agotado. Por eso, en esa zona empobrecida la reacción pasa a dividir el agua. Los investigadores descubrieron que esta reacción no deseada consume energía y reduce considerablemente la eficiencia general del proceso de conversión.
«Hay varios grupos trabajando en esto y existen numerosos catalizadores», afirma Varanasi. «En todos estos casos, creo que la evolución simultánea del hidrógeno se convierte en un cuello de botella».
Los investigadores descubrieron que una forma de contrarrestar este agotamiento consiste en utilizar un sistema pulsado: un ciclo en el que simplemente se corta el voltaje, se detiene la reacción y se da tiempo al dióxido de carbono para que vuelva a difundirse en la zona empobrecida y alcance de nuevo niveles aprovechables; después, se reanuda la reacción.
Los investigadores afirman que, a menudo, los grupos encuentran materiales catalizadores prometedores, pero no prolongan lo suficiente sus pruebas de laboratorio para observar estos efectos de agotamiento. Por eso, se han visto frustrados al intentar ampliar sus sistemas. Además, la concentración de dióxido de carbono junto al catalizador determina los productos que se generan. Por tanto, el agotamiento también puede cambiar la mezcla de productos y hacer que el proceso sea poco fiable. «Si se quiere crear un sistema que funcione a escala industrial, hay que poder mantenerlo en funcionamiento durante mucho tiempo», afirma Varanasi, «y evitar estos efectos que reducen la eficiencia o la fiabilidad del proceso».
Comprender el agotamiento del dióxido de carbono
El equipo estudió tres materiales catalizadores distintos, incluido el cobre, y «nos centramos mucho en asegurarnos de comprender y poder cuantificar los efectos del agotamiento», afirma Lake. Durante el proceso, pudieron desarrollar una forma sencilla y fiable de vigilar la eficiencia de la conversión mientras ocurre, midiendo los cambios en los niveles de pH —una medida de la acidez— del electrolito del sistema.
En sus pruebas, utilizaron herramientas analíticas más sofisticadas para caracterizar los productos de la reacción, como la cromatografía de gases para analizar los productos gaseosos y la resonancia magnética nuclear para caracterizar los productos líquidos del sistema. Sin embargo, su análisis mostró que la simple medición del pH del electrolito junto al electrodo durante el funcionamiento podía servir para medir suficientemente la eficiencia de la reacción a medida que avanzaba.
Esta capacidad de vigilar fácilmente la reacción en tiempo real podría, en última instancia, dar lugar a un sistema optimizado mediante métodos de aprendizaje automático, que controlara la tasa de producción de los compuestos deseados mediante retroalimentación continua, afirma Moreno Soto.
Ahora que se comprende y cuantifica el proceso, podrían desarrollarse otros métodos para mitigar el agotamiento del dióxido de carbono, afirman los investigadores, y probarse fácilmente con sus métodos.
Este trabajo demuestra, afirma Lake, que «independientemente del material catalizador» utilizado en un sistema electrocatalítico de este tipo, «este problema lo afectará». Ahora, gracias al modelo que desarrollaron, es posible determinar exactamente qué intervalo de tiempo debe evaluarse para obtener una idea precisa de la eficiencia general del material y qué operaciones del sistema podrían maximizar su eficacia.
La investigación contó con el apoyo de Shell, a través de la Iniciativa Energética del MIT.
