Por David L. Chandler, Instituto de Tecnología de Massachusetts 9 de noviembre de 2023
Un avance realizado por científicos del MIT y Harvard permite la conversión eficiente del dióxido de carbono en una forma estable y segura, que potencialmente reemplaza a los combustibles fósiles y es adecuada para el almacenamiento a largo plazo y la generación de electricidad.
El enfoque convierte directamente los gases de efecto invernadero en formiato, un combustible sólido que puede almacenarse indefinidamente y usarse para calentar hogares o generar energía para industrias.
La búsqueda continúa en todo el mundo para encontrar formas de extraer dióxido de carbono del aire o de los gases de escape de las centrales eléctricas y luego convertirlo en algo útil. Una de las ideas más prometedoras es transformarlo en un combustible estable que pueda sustituir a los combustibles fósiles en algunas aplicaciones. Pero la mayoría de estos procesos de conversión han tenido problemas con la baja eficiencia de carbono o han producido combustibles que pueden ser difíciles de manejar, tóxicos o inflamables.
Avance en la conversión de CO2 en combustible
Ahora, investigadores del MIT y la Universidad de Harvard han desarrollado un proceso eficiente que puede convertir el dióxido de carbono en formiato, un material líquido o sólido que puede usarse como hidrógeno o metanol para alimentar una celda de combustible y generar electricidad. El formiato de potasio o sodio, que ya se produce a escala industrial y se utiliza comúnmente como descongelador de carreteras y aceras, no es tóxico ni inflamable, es fácil de almacenar y transportar y puede permanecer estable en tanques de acero comunes que se utilizan para meses o incluso años. , después de su producción.
La representación muestra 3 partes como sobre una mesa gris: un modelo de casa blanca en la parte superior; una pila de combustible intercalada entre dos placas de metal con moléculas esféricas flotando a su alrededor; y en la parte inferior está el electrolizador, que parece una pila de combustible y tiene moléculas flotando a su alrededor. Crédito: Shuhan Miao, Escuela de Graduados en Diseño de Harvard
El nuevo proceso, desarrollado por los estudiantes de doctorado del MIT Zhen Zhang, Zhichu Ren y Alexander H. Quinn; el estudiante de doctorado de la Universidad de Harvard, Dawei Xi; y Ju Li, profesor del MIT, describieron esto recientemente en un artículo de acceso abierto en Cell Reports Physical Science. Todo el proceso, incluida la captura y conversión electroquímica del gas en un polvo sólido, que luego se utiliza en una pila de combustible para producir electricidad, se demostró a pequeña escala de laboratorio. Sin embargo, los investigadores esperan que sea escalable para que pueda proporcionar calor y energía sin emisiones a hogares individuales e incluso usarse en aplicaciones industriales o a escala de red.
Mayor eficiencia y practicidad
Otros enfoques para convertir dióxido de carbono en combustible, explica Li, generalmente implican un proceso de dos pasos: primero, el gas se captura químicamente y se convierte en una forma sólida como carbonato de calcio; Luego, este material se calienta para eliminar el dióxido de carbono y convertirlo. a una materia prima combustible como el monóxido de carbono. Este segundo paso tiene una eficiencia muy baja y normalmente convierte menos del 20% del gas dióxido de carbono en el producto deseado, dice Li.
Por el contrario, el nuevo proceso logra una conversión muy superior al 90 por ciento y elimina la necesidad del ineficiente paso de calentamiento al convertir primero el dióxido de carbono en una forma intermedia, bicarbonato metálico líquido. Luego, este líquido se convierte electroquímicamente en formiato líquido de potasio o sodio en un electrolizador que utiliza electricidad con bajas emisiones de carbono, por ejemplo, energía nuclear, eólica o solar. La solución líquida altamente concentrada de formiato de potasio o sodio producida puede luego secarse, por ejemplo mediante evaporación solar, para producir un polvo sólido que es altamente estable y puede almacenarse en tanques de acero comunes durante años o incluso décadas, dice. Li.
Una configuración de electrolizador con cátodo de bicarbonato, capa intermedia intermedia, membrana de intercambio catiónico y ánodo de agua. Crédito: Shuhan Miao, Escuela de Graduados en Diseño de Harvard
Varios pasos de optimización desarrollados por el equipo marcaron la diferencia al transformar un proceso de conversión química ineficiente en una solución práctica, dice Li, quien ocupa cargos conjuntos en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Proceso de conversión y aplicaciones.
El proceso de captura y conversión de carbono implica primero una captura basada en una solución alcalina que concentra el dióxido de carbono, ya sea de corrientes concentradas, como las emisiones de las centrales eléctricas, o de fuentes de muy baja concentración, incluso al aire libre, en la atmósfera, en forma de metal líquido. . solución de bicarbonato. Luego, mediante el uso de un electrolizador de membrana de intercambio catiónico, este bicarbonato se convierte electroquímicamente en cristales de forma sólida con una eficiencia de carbono superior al 96%, como se confirmó en los experimentos a escala de laboratorio del equipo.
Estos cristales tienen una vida útil indefinida y permanecen tan estables que pueden almacenarse durante años, o incluso décadas, con poca o ninguna pérdida. En comparación, incluso los tanques de almacenamiento de hidrógeno más prácticos disponibles permiten que el gas se escape a un ritmo de alrededor del 1% por día, lo que excluye cualquier uso que requiera almacenamiento durante un año, dice Li. El metanol, otra alternativa ampliamente explorada para convertir dióxido de carbono en un combustible utilizable en pilas de combustible, es una sustancia tóxica que no puede adaptarse fácilmente para su uso en situaciones en las que las fugas podrían suponer un peligro para la salud. El formato, por otro lado, se usa ampliamente y se considera benigno según los estándares de seguridad nacional.
Mejoras técnicas
Varias mejoras son responsables de una mayor eficiencia de este proceso. En primer lugar, el diseño cuidadoso de los materiales de la membrana y su configuración supera un problema encontrado en intentos anteriores de crear un sistema de este tipo, donde la acumulación de ciertos subproductos químicos altera el pH, lo que hace que el sistema pierda eficiencia continuamente con el tiempo. «Tradicionalmente, es difícil lograr una conversión continua, estable y a largo plazo de las materias primas», afirma Zhang. «La clave de nuestro sistema es lograr el equilibrio del pH para una conversión en estado estacionario».
Para lograr esto, los investigadores realizaron modelos termodinámicos para diseñar el nuevo proceso de modo que esté químicamente equilibrado y el pH se mantenga en un estado estable, sin cambios en la acidez con el tiempo. Por lo tanto, puede seguir funcionando de manera eficiente durante largos períodos. En las pruebas, el sistema funcionó durante más de 200 horas sin una disminución significativa en la producción. Todo el proceso se puede llevar a cabo a temperatura ambiente y presiones relativamente bajas (unas cinco veces la presión atmosférica).
Otro problema fue que las reacciones secundarias no deseadas producían otras sustancias químicas que no eran útiles, pero el equipo descubrió una manera de prevenir estas reacciones secundarias introduciendo una capa «amortiguadora» adicional de lana de fibra de vidrio enriquecida con bicarbonato que bloqueaba estas reacciones.
El equipo también construyó una pila de combustible optimizada específicamente para utilizar este formato de combustible para producir electricidad. Las partículas de formiato almacenadas simplemente se disuelven en agua y se bombean a la pila de combustible según sea necesario. Aunque el combustible sólido es mucho más pesado que el hidrógeno puro, cuando se considera el peso y el volumen de los tanques de gas a alta presión necesarios para almacenar el hidrógeno, el resultado final es una producción de electricidad cercana a la paridad para un volumen determinado de almacenamiento de combustible, dice Li. .
Aplicaciones potenciales
Los investigadores dicen que el formato de combustible podría adaptarse potencialmente para cualquier cosa, desde unidades de tamaño doméstico hasta usos industriales a gran escala o sistemas de almacenamiento a escala de red. Las aplicaciones domésticas iniciales pueden implicar una unidad electrolizador del tamaño de un refrigerador para capturar y convertir el dióxido de carbono en forma, que puede almacenarse en un tanque subterráneo o en el techo. Luego, cuando fuera necesario, el sólido en polvo se mezclaría con agua y se introduciría en una pila de combustible para proporcionar energía y calor. «Esto es para manifestaciones comunitarias o nacionales», dice Zhang, «pero creemos que en el futuro también podría ser bueno para las fábricas o la red».
«La economía del formiato es un concepto intrigante porque las sales de formiato metálico son muy benignas y estables, y un atractivo portador de energía», dice Ted Sargent, profesor de química y de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Northwestern, que no estuvo presente. trabajar. . «Los autores demostraron una mayor eficiencia en la conversión de líquido a líquido de la materia prima de bicarbonato en formato y demostraron que estos combustibles pueden usarse más tarde para producir electricidad», dice.
Referencia: “Un electrolizador de bicarbonato eficiente en carbono” por Zhen Zhang, Dawei Xi, Zhichu Ren y Ju Li, 30 de octubre de 2023. Informes Celulares Ciencias Físicas.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101662
El trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
