Un catalizador imparable supera al azufre para revolucionar la captura de carbono

Un catalizador electroquímico para convertir el CO2 en productos valiosos puede resistir una impureza que envenena las versiones actuales.

Un nuevo catalizador mejora la conversión del carbono capturado en productos comerciales, manteniendo una alta eficiencia a pesar de las impurezas de óxido de azufre. Esta innovación podría reducir significativamente los costos y los requisitos energéticos en las tecnologías de captura de carbono, lo que afectaría a las industrias pesadas.

Un catalizador recientemente desarrollado, creado por investigadores de ingeniería de la Universidad de Toronto, convierte de manera eficiente el carbono capturado en productos valiosos, incluso en presencia de un contaminante que degrada el rendimiento de las versiones actuales.

El descubrimiento representa un gran paso adelante hacia técnicas de captura y almacenamiento de carbono más rentables, que podrían agregarse a los procesos industriales existentes.

Avances en las tecnologías de conversión de carbono

«Hoy tenemos más y mejores opciones que nunca para la generación de electricidad con bajas emisiones de carbono», afirma el profesor David Sinton (MIE), autor principal de un artículo publicado en Energía de la naturaleza el 4 de julio describiendo el nuevo catalizador.

«Pero hay otros sectores de la economía que serán más difíciles de descarbonizar: por ejemplo, la producción de acero y cemento, para ayudar a estas industrias, necesitamos inventar formas rentables de capturar y mejorar el carbono en sus flujos de desechos».

Los estudiantes de doctorado en ingeniería de la Universidad de Toronto, Rui Kai (Ray) Miao (izquierda) y Panos Papangelakis (derecha), sostienen un nuevo catalizador que diseñaron para convertir el gas CO2 capturado en productos valiosos. Su versión funciona bien incluso en presencia de dióxido de azufre, un contaminante que envenena otros catalizadores. Crédito: Tyler Irving / Ingeniería de la Universidad de Toronto

Uso del electrolizador en la transformación del carbono.

Sinton y su equipo utilizan dispositivos conocidos como electrolizadores para convertir el CO2 y la electricidad en productos como etileno y etanol. Estas moléculas a base de carbono pueden venderse como combustibles o utilizarse como materias primas químicas para fabricar artículos cotidianos como el plástico.

Dentro del electrolizador, la reacción de conversión ocurre cuando tres elementos (gas CO2, electrones y un electrolito líquido a base de agua) se juntan en la superficie de un catalizador sólido.

El catalizador suele estar hecho de cobre, pero también puede contener otros metales o compuestos orgánicos que pueden mejorar aún más el sistema. Su función es acelerar la reacción y minimizar la creación de productos secundarios no deseados, como el gas hidrógeno, que reducen la eficiencia del proceso general.

Abordar los desafíos de la eficiencia del catalizador

Aunque muchos equipos de todo el mundo han producido catalizadores de alto rendimiento, casi todos están diseñados para funcionar con un suministro de CO2 puro. Pero si el carbono en cuestión proviene de chimeneas, es probable que la alimentación esté lejos de ser pura.

«Normalmente, a los diseñadores de catalizadores no les gusta lidiar con impurezas, y por una buena razón», dice Panos Papangelakis, candidato a doctorado en ingeniería mecánica y uno de los cinco coautores principales del nuevo artículo.

“Los óxidos de azufre, como el SO2, envenenan el catalizador al unirse a la superficie. Esto deja menos sitios para que reaccione el CO2 y también provoca la formación de sustancias químicas no deseadas.

«Sucede muy rápido: si bien algunos catalizadores pueden durar cientos de horas con energía pura, si se introducen estas impurezas, en cuestión de minutos pueden alcanzar una eficiencia del 5%».

Si bien existen métodos bien establecidos para eliminar las impurezas de los gases de escape ricos en CO2 antes de introducirlos en el electrolizador, requieren tiempo, energía y aumentan los costos de captura y mejora del carbono. Además, en el caso del SO2, incluso una pequeña cantidad puede suponer un gran problema.

«Incluso si se reduce el nivel de gases de escape a menos de 10 partes por millón, o el 0,001% del combustible, el catalizador aún puede envenenarse en menos de dos horas», afirma Papangelakis.

Innovaciones en el diseño de catalizadores.

En el artículo, el equipo describe cómo diseñaron un catalizador más resistente, capaz de resistir el SO2, realizando dos cambios clave en un catalizador típico a base de cobre.

A un lado le añadieron una fina capa de politetrafluoroetileno, también conocido como teflón. Este material antiadherente cambia la química en la superficie del catalizador, evitando reacciones que permitan el envenenamiento por SO2.

Por otro lado, añadieron una capa de Nafion, un polímero conductor de electricidad que se utiliza a menudo en las pilas de combustible. Este material complejo y poroso contiene algunas zonas hidrofílicas, es decir, que atraen el agua, y otras zonas hidrofóbicas, es decir, que la repelen. Esta estructura dificulta que el SO2 alcance la superficie del catalizador.

Rendimiento en condiciones adversas

Luego, el equipo alimentó este catalizador con una mezcla de CO2 y SO2, este último en una concentración de alrededor de 400 partes por millón, típica de un flujo de residuos industriales. Incluso en estas difíciles condiciones, el nuevo catalizador funcionó bien.

«En el artículo, informamos una eficiencia de Faraday, una medida de cuántos electrones terminaron en los productos deseados, del 50%, que pudimos mantener durante 150 horas», dice Papangelakis.

“Existen algunos catalizadores que podrían comenzar con una eficiencia más alta, tal vez del 75% o del 80%, pero nuevamente, si los expones al SO2, en unos pocos minutos o como máximo en un par de horas, esto se reduce a casi nada. . Hemos podido capear eso».

Direcciones e implicaciones futuras

Papangelakis dice que debido a que el enfoque de su equipo no afecta la composición del catalizador en sí, debería ser ampliamente aplicable. En otras palabras, los equipos que ya han perfeccionado catalizadores de alto rendimiento deberían poder utilizar recubrimientos similares para conferir resistencia al envenenamiento por óxido de azufre.

Si bien los óxidos de azufre son la impureza más problemática en los flujos de desechos normales, no son los únicos: el equipo ahora se centrará en toda la gama de contaminantes químicos.

«Hay que tener en cuenta muchas otras impurezas, como los óxidos de nitrógeno, el oxígeno, etc.», afirma Papangelakis.

“Pero el hecho de que este enfoque funcione tan bien con los óxidos de azufre es muy prometedor. Antes de este trabajo, se daba por sentado que era necesario eliminar las impurezas antes de mejorar el CO2. gestionarlos, lo que abre muchas posibilidades nuevas».

Referencia: “Mejora de la tolerancia al SO2 de electrocatalizadores de reducción de CO2 utilizando un diseño de heterounión de polímero/catalizador/ionómero” por Panagiotis Papangelakis, Rui Kai Miao, Ruihu Lu, Hanqi Liu, Xi Wang, Adnan Ozden, Shijie Liu, Ning Sun, Colin P. O 'Brien, Yongfeng Hu, Mohsen Shakouri, Qunfeng Xiao, Mengsha Li, Behrooz Khatir, Jianan Erick Huang, Yakun Wang, Yurou Celine Xiao, Feng Li, Ali Shayesteh Zeraati, Qiang Zhang, Pengyu Liu, Kevin Golovin, Jane Y. Howe, Hongyan Liang, Ziyun Wang, Jun Li, Edward H. Sargent y David Sinton, 4 de julio de 2024. Energía de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9