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El dióxido de carbono (CO2) es un recurso esencial para la vida en la Tierra y un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global. Hoy en día, los científicos estudian el dióxido de carbono como un recurso prometedor para la producción de combustibles renovables con bajas emisiones de carbono y productos químicos de alto valor.
El desafío para los investigadores es identificar formas eficientes y rentables de convertir el dióxido de carbono en intermediarios de carbono de alta calidad, como monóxido de carbono, metanol o ácido fórmico.
Un equipo de investigación dirigido por KK Neuerlin, del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), y colaboradores del Laboratorio Nacional de Argonne y del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, ha encontrado una solución prometedora a este problema. El equipo desarrolló un método de conversión para producir ácido fórmico a partir de dióxido de carbono utilizando electricidad renovable con alta eficiencia energética y durabilidad.
El estudio, titulado “Arquitectura de ensamblaje de electrodos de membrana escalable para la conversión electroquímica eficiente de dióxido de carbono en ácido fórmico”, fue publicado en la revista Nature Communications.
El ácido fórmico es un posible intermediario químico con una amplia gama de aplicaciones, especialmente como materia prima en las industrias química y biológica. También se ha identificado como materia prima para la biorrefinación y la obtención de combustible limpio para aviación.
La electrólisis del CO2 da como resultado la reducción del CO2 a intermediarios químicos como el ácido fórmico o moléculas como el etileno cuando se aplica un potencial eléctrico a la celda electrolítica.
El conjunto membrana-electrodo (MEA) de un electrolizador normalmente consta de una membrana conductora de iones (membrana de intercambio de cationes o aniones) intercalada entre dos electrodos que constan de un electrocatalizador y un polímero conductor de iones.
Utilizando la experiencia del equipo en tecnologías de celdas de combustible y electrólisis de hidrógeno, estudiaron varias configuraciones de MEA en celdas electrolíticas para comparar la reducción electroquímica de CO2 a ácido fórmico.
Basándose en el análisis de fallas de varios diseños, el equipo buscó explotar las limitaciones de los conjuntos de materiales existentes, particularmente la falta de rechazo de iones en las membranas de intercambio aniónico actuales, y simplificar el diseño general del sistema.
La invención de KS Neierlin y Leiming Hu, del NREL, fue un electrolizador MEA mejorado que utiliza una nueva membrana de intercambio catiónico perforada. Esta membrana perforada proporciona una producción consistente y altamente selectiva de ácido fórmico y simplifica el diseño mediante el uso de componentes estándar.
“Los resultados de este estudio representan un cambio de paradigma en la producción electroquímica de ácidos orgánicos como el ácido fórmico”, afirmó el coautor Neierlin. “La estructura de membrana perforada reduce la complejidad de los diseños anteriores y también puede utilizarse para mejorar la eficiencia energética y la durabilidad de otros dispositivos de conversión electroquímica de dióxido de carbono”.
Como ocurre con cualquier avance científico, es importante comprender los factores de costo y la viabilidad económica. Trabajando en diferentes departamentos, los investigadores del NREL Zhe Huang y Tao Ling presentaron un análisis tecnoeconómico que identifica maneras de lograr la paridad de costos con los procesos industriales actuales de producción de ácido fórmico cuando el costo de la electricidad renovable es igual o inferior a 2,3 centavos por kilovatio-hora.
“El equipo logró estos resultados utilizando catalizadores disponibles comercialmente y materiales de membrana polimérica, al tiempo que creó un diseño MEA que aprovecha la escalabilidad de las modernas celdas de combustible y plantas de electrólisis de hidrógeno”, dijo Neierlin.
“Los resultados de esta investigación podrían ayudar a convertir el dióxido de carbono en combustibles y productos químicos utilizando electricidad renovable e hidrógeno, acelerando la transición hacia la ampliación y la comercialización”.
Las tecnologías de conversión electroquímica son un elemento central del programa Electrones a Moléculas del NREL, que se centra en hidrógeno renovable de próxima generación, cero combustibles, productos químicos y materiales para procesos impulsados ​​eléctricamente.
“Nuestro programa está explorando formas de utilizar electricidad renovable para convertir moléculas como el dióxido de carbono y el agua en compuestos que puedan servir como fuentes de energía”, dijo Randy Cortright, director de la estrategia de transferencia de electrones y/o precursores del NREL para la producción de combustibles o productos químicos”.
“Esta investigación sobre conversión electroquímica supone un avance que puede utilizarse en diversos procesos de conversión electroquímica, y esperamos obtener resultados más prometedores de este grupo”.
Más información: Leiming Hu et al., Arquitectura escalable de ensamblaje de electrodos de membrana para la conversión electroquímica eficiente de CO₂ en ácido fórmico, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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