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El dióxido de carbono (CO2) es un recurso esencial para la vida en la Tierra y, a la vez, un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento global. Actualmente, 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 reto para los investigadores consiste en identificar formas eficientes y rentables de convertir el dióxido de carbono en intermediarios de carbono de alta calidad, como el monóxido de carbono, el metanol o el ácido fórmico.
Un equipo de investigación liderado por KK Neuerlin del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) y colaboradores del Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Nacional 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 escalable de ensamblaje de electrodos de membrana para la conversión electroquímica eficiente de dióxido de carbono en ácido fórmico”, fue publicado en la revista Nature Communications.
El ácido fórmico es un intermediario químico potencial 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 biorrefinería, que permite obtener combustible de aviación limpio.
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, por sus siglas en inglés) en un electrolizador generalmente consta de una membrana conductora de iones (membrana de intercambio catiónico o aniónico) intercalada entre dos electrodos compuestos por un electrocatalizador y un polímero conductor de iones.
Aprovechando la experiencia del equipo en tecnologías de pilas de combustible y electrólisis de hidrógeno, estudiaron varias configuraciones de MEA en celdas electrolíticas para comparar la reducción electroquímica de CO2 a ácido fórmico.
Tras analizar los fallos de varios diseños, el equipo buscó aprovechar las limitaciones de los conjuntos de materiales existentes, en particular 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 consistió en un electrolizador MEA mejorado que utiliza una nueva membrana de intercambio catiónico perforada. Esta membrana perforada proporciona una producción de ácido fórmico consistente y altamente selectiva, y simplifica el diseño al utilizar componentes comerciales 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 electroquímicos de conversión de dióxido de carbono».
Como ocurre con cualquier avance científico, es importante comprender los factores de coste y la viabilidad económica. En colaboración con otros departamentos, los investigadores del NREL, Zhe Huang y Tao Ling, presentaron un análisis tecnoeconómico que identifica maneras de lograr la paridad de costes con los procesos actuales de producción industrial de ácido fórmico cuando el coste de la electricidad renovable sea igual o inferior a 2,3 céntimos por kilovatio-hora.
“El equipo logró estos resultados utilizando catalizadores y materiales de membrana polimérica disponibles comercialmente, al tiempo que creó un diseño de MEA que aprovecha la escalabilidad de las pilas de combustible modernas y las 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 de escala y la comercialización.”
Las tecnologías de conversión electroquímica son un elemento fundamental del programa Electrons to Molecules del NREL, que se centra en el hidrógeno renovable de próxima generación, los combustibles cero, los productos químicos y los 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 o productos químicos”, dijo Randy Cortright, director de la estrategia de transferencia de electrones y/o precursores para la producción de combustibles o productos químicos del NREL.
“Esta investigación sobre conversión electroquímica supone un avance significativo que puede utilizarse en diversos procesos de conversión electroquímica, y esperamos obtener resultados aún más prometedores de este grupo.”
Información adicional: Leiming Hu et al., Arquitectura de ensamblaje de electrodos de membrana escalable para la conversión electroquímica eficiente de CO2 a ácido fórmico, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
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