La electrólisis de dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO) ofrece una forma de convertir las emisiones en productos de múltiples carbonos como el etanol y el etileno. Sin embargo, la baja eficiencia energética y de carbono limita los sistemas actuales.
Ahora, investigadores de la Facultad de Ciencias Aplicadas e Ingeniería de la Universidad de Toronto han desarrollado un nuevo diseño de catalizador que podría mejorar drásticamente la viabilidad de un proceso electroquímico.
En su trabajo, los investigadores se concentraron en una variante del método, que se conoce como «Reducción de CO2 en cascada«. El CO2 se disuelve primero en un electrolito líquido y luego pasa a través de un electrolizador, donde reacciona con los electrones para formar monóxido de carbono. Luego, el CO pasa por un segundo electrolizador, donde se convierte en productos de dos carbonos como el etanol, que a menudo se usa como combustible, y el etileno, un precursor de muchos tipos de plásticos y otros productos de consumo.
En el segundo paso, el equipo descubrió ineficiencias que creían que podían superarse. Los desafíos relacionados con la selectividad, es decir, la capacidad de maximizar la producción de las moléculas objetivo mientras se reduce la formación de subproductos no deseados.
Uno de los principales problemas es la escasa selectividad en condiciones de baja disponibilidad de reactivos. Esto, a su vez, conduce a una compensación entre la eficiencia energética, es decir, la eficiencia con la que usamos los electrones que inyectamos en el sistema, y la eficiencia del carbono, que es una medida de la eficiencia con la que usamos el CO2 y el CO.
Adnan Ozden, investigador postdoctoral
Al investigar los motivos de esta compensación, el equipo descubrió que se debe a la acumulación excesiva de iones cargados positivamente, conocidos como cationes, en la superficie del catalizador, así como a la migración no deseada de iones cargados negativamente, conocidos como aniones, fuera del catalizador. la superficie del catalizador.
Para enfrentar este desafío, se inspiraron en el diseño de supercondensadores. Agregaron un material poroso llamado marco orgánico covalente a la superficie del catalizador, lo que les permitió controlar el transporte de cationes y aniones en el entorno de reacción local.
Con esta modificación hemos obtenido una capa de catalizador muy porosa y altamente hidrofóbica. En este diseño, el marco orgánico covalente interactúa con los cationes para limitar su difusión a los sitios activos. El marco orgánico covalente también limita los aniones producidos localmente debido a su alta hidrofobicidad.
Jun Li, autor principal.
Usando el nuevo diseño del catalizador El equipo construyó un electrolizador que convierte el CO en productos de dos carbonos con una eficiencia del 95 % sobre el carbono.manteniendo una eficiencia energética relativamente alta del 40%.
La tecnología aún debe mejorarse si se quiere adaptar comercialmente. Durante la prueba, el dispositivo prototipo mantuvo su rendimiento durante más de 200 horas, pero tendrá que durar aún más para uso industrial.
Referencias: Adnan Ozden, Jun Li, Sharath Kandambeth, Xiao-Yan Li, Shijie Liu, Osama Shekhah, Pengfei Ou, Zou Finfrock Y, Ya-Kun Wang, Tartela Alkayyali, F Pelayo García de Arquer, Vinayak S Kale, Prashant M Bhatt, Alexander H. Ip, Mohamed Eddaoudi, Edward H. Sargent y David Sinton. Electrólisis de CO2/CO eficiente en energía y carbono a productos de múltiples carbonos mediante adsorción de migración iónica asimétrica. Energía Natural, 2023; DOI: 10.1038/s41560-022-01188-2
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