Nuevos electrodos potencian la conversión de CO2 en químicos valiosos

Una nueva investigación del MIT puede conducir a mejoras rápidas en una variedad de sistemas electroquímicos en desarollo para convertir el dióxido de carbono en un producto valioso.

Mientras el mundo lucha por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los investigadores están buscando formas prácticas y económicas de capturar el dióxido de carbono y convertirlo en productos útiles, como combustibles para el transporte, materias primas químicas o incluso materiales de construcción. Pero hasta ahora, estos intentos han tenido dificultades para alcanzar la viabilidad económica.

Ingenieros del MIT (Massachusetts Institute of Technology) HAN desarrollado un nuevo diseño para los electrodos utilizados en estos sistemas, que aumenta la eficiencia del proceso de conversión.

Los hallazgos se publican en la revista Nature Communications, en un artículo del estudiante de doctorado del MIT Simon Rufer, el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi y otras tres personas.

"El problema del CO2 es un gran desafío para nuestros tiempos, y estamos utilizando todo tipo de palancas para resolverlo y abordarlo", dice Varanasi en un comunicado. Será esencial encontrar formas prácticas de eliminar el gas, dice, ya sea de fuentes como las emisiones de las centrales eléctricas, o directamente del aire o los océanos. Pero una vez que se ha eliminado el CO2, tiene que ir a alguna parte.

Se ha desarrollado una amplia variedad de sistemas para convertir ese gas capturado en un producto químico útil, dice Varanasi. "No es que no podamos hacerlo, podemos hacerlo. Pero la pregunta es ¿cómo podemos hacer que esto sea eficiente? ¿Cómo podemos hacer que sea rentable?".

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

Actualmente, el etileno se vende a unos 1.000 dólares por tonelada, por lo que el objetivo es poder igualar o superar ese precio. El proceso electroquímico que convierte el CO2 en etileno implica una solución a base de agua y un material catalizador, que entran en contacto junto con una corriente eléctrica en un dispositivo llamado electrodo de difusión de gas.

Hay dos características en competencia de los materiales de los electrodos de difusión de gas que afectan su rendimiento: deben ser buenos conductores eléctricos para que la corriente que impulsa el proceso no se desperdicie a través del calentamiento por resistencia, pero también deben ser "hidrofóbicos", o repelentes al agua, para que la solución electrolítica a base de agua no se filtre e interfiera con las reacciones que tienen lugar en la superficie del electrodo.

Mejorar la conductividad reduce la hidrofobicidad y viceversa. Varanasi y su equipo se propusieron ver si podían encontrar una manera de evitar ese conflicto y, después de muchos meses de trabajo, lo lograron.

TEFLÓN MEJORADO CON CABLES DE COBRE

La solución, ideada por Rufer y Varanasi, recurre a un material plástico, PTFE (esencialmente teflón), que se sabe que tiene buenas propiedades hidrofóbicas. Sin embargo, la falta de conductividad del PTFE significa que los electrones deben viajar a través de una capa catalizadora muy delgada, lo que produce 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 la lámina muy delgada de PTFE.

"Este trabajo realmente abordó este desafío, ya que ahora podemos obtener tanto conductividad como hidrofobicidad", dice Varanasi.

La investigación sobre los posibles sistemas de conversión de carbono tiende a realizarse en muestras muy pequeñas a escala de laboratorio, generalmente de menos de 1 pulgada (2,5 centímetros) cuadrados. Para demostrar el potencial de ampliación, el equipo de Varanasi produjo una lámina de un área 10 veces mayor y demostró su rendimiento efectivo.

Para llegar a ese punto, tuvieron que hacer algunas pruebas básicas que aparentemente nunca se habían hecho antes, realizando pruebas en condiciones idénticas pero utilizando 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 significaría que se necesitaría mucha más energía y, por lo tanto, más costo para impulsar la reacción.

Las aplicaciones industriales del mundo real requerirían electrodos que sean quizás 100 veces más grandes que las versiones de laboratorio, por lo que agregar los cables conductores será necesario para que estos sistemas sean prácticos, dicen los investigadores. También desarrollaron un modelo que captura la variabilidad espacial en el 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 para los cables conductores para contrarrestar la caída de la conductividad.

En efecto, al tejer el alambre a través del material, este se divide en subsecciones más pequeñas determinadas por el espaciado de los alambres. "Lo dividimos en un montón de pequeños subsegmentos, cada uno de los cuales es efectivamente un electrodo más pequeño", 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 para los electrones que pasan a través de él, uniendo las áreas donde están confinados al sustrato y enfrentan una mayor resistencia.

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