Los ingenieros químicos del MIT han ideado una forma eficaz de convertir el dióxido de carbono en monóxido de carbono, un precursor químico que puede utilizarse para generar compuestos útiles como el etanol y otros combustibles. Si se amplía para uso industrial, este proceso podría ayudar a eliminar el dióxido de carbono de las centrales eléctricas y otras fuentes, reduciendo la cantidad de gases de efecto invernadero que se liberan a la atmósfera.
“Esto permitiría tomar dióxido de carbono de las emisiones o disuelto en el océano y convertirlo en productos químicos rentables. Es realmente un camino a seguir para la descarbonización porque podemos tomar el CO2, que es un gas de efecto invernadero, y convertirlo en cosas que son útil para la fabricación de productos químicos”, dice Ariel Furst, profesor asistente de desarrollo profesional de ingeniería química Paul M. Cook y autor principal del estudio.
El nuevo enfoque utiliza electricidad para realizar la conversión química, con la ayuda de un catalizador que está unido a la superficie del electrodo mediante hebras de ADN. Este ADN actúa como velcro para mantener todos los componentes de la reacción muy cerca, lo que hace que la reacción sea mucho más eficiente que si todos los componentes estuvieran flotando en una solución.
Furst ha fundado una empresa llamada Helix Carbon para seguir desarrollando la tecnología. El ex postdoctorado del MIT Gang Fan es el autor principal del artículo, que se publica en el Journal of the American Chemical Society Au. Otros autores incluyen a Nathan Corbin Ph.D. ’21, Minju Chung Ph.D. ’23, los ex postdoctorados del MIT Thomas Gill y Amruta Karbelkar, y Evan Moore ’23.
Descomponer el CO2
Para convertir el dióxido de carbono en productos útiles es necesario primero convertirlo en monóxido de carbono. Una forma de hacerlo es con electricidad, pero la cantidad de energía necesaria para ese tipo de electrocatálisis es prohibitivamente cara.
Para intentar reducir esos costos, los investigadores han intentado utilizar electrocatalizadores, que pueden acelerar la reacción y reducir la cantidad de energía que debe agregarse al sistema. Un tipo de catalizador utilizado para esta reacción es una clase de moléculas conocidas como porfirinas, que contienen metales como hierro o cobalto y son similares en estructura a las moléculas de hemo que transportan oxígeno en la sangre.
Durante este tipo de reacción electroquímica, el dióxido de carbono se disuelve en agua dentro de un dispositivo electroquímico, que contiene un electrodo que impulsa la reacción. Los catalizadores también están suspendidos en la solución. Sin embargo, esta configuración no es muy eficiente porque el dióxido de carbono y los catalizadores necesitan encontrarse en la superficie del electrodo, lo que no sucede muy a menudo.
Para que la reacción ocurriera con mayor frecuencia, lo que aumentaría la eficiencia de la conversión electroquímica, Furst comenzó a trabajar en formas de unir los catalizadores a la superficie del electrodo. El ADN parecía ser la opción ideal para esta aplicación.
“El ADN es relativamente económico, se puede modificar químicamente y se puede controlar la interacción entre dos cadenas cambiando las secuencias”, dice. “Es como un velcro de secuencia específica que tiene interacciones muy fuertes pero reversibles que puedes controlar”.
Para unir hebras individuales de ADN a un electrodo de carbono, los investigadores utilizaron dos “asas químicas”, una en el ADN y otra en el electrodo. Estas manijas se pueden unir, formando una unión permanente. Luego se une una secuencia de ADN complementaria al catalizador de porfirina, de modo que cuando el catalizador se agrega a la solución, se unirá de manera reversible al ADN que ya está adherido al electrodo, como si fuera velcro.
Una vez configurado este sistema, los investigadores aplican un potencial (o polarización) al electrodo y el catalizador utiliza esta energía para convertir el dióxido de carbono de la solución en monóxido de carbono. La reacción también genera una pequeña cantidad de gas hidrógeno a partir del agua. Una vez que los catalizadores se desgastan, pueden liberarse de la superficie calentando el sistema para romper los enlaces reversibles entre las dos cadenas de ADN y reemplazarse por otros nuevos.
Una reacción eficiente
Utilizando este enfoque, los investigadores pudieron aumentar la eficiencia faradaica de la reacción al 100%, lo que significa que toda la energía eléctrica que ingresa al sistema va directamente a las reacciones químicas, sin desperdiciar energía. Cuando los catalizadores no están unidos por ADN, la eficiencia faradaica es sólo de alrededor del 40%.
Esta tecnología podría ampliarse para uso industrial con bastante facilidad, afirma Furst, porque los electrodos de carbono que utilizaron los investigadores son mucho menos costosos que los electrodos metálicos convencionales. Los catalizadores también son económicos, ya que no contienen metales preciosos y sólo se necesita una pequeña concentración del catalizador en la superficie del electrodo.
Al intercambiar diferentes catalizadores, los investigadores planean intentar fabricar otros productos como metanol y etanol utilizando este enfoque. Helix Carbon, la empresa fundada por Furst, también está trabajando en el desarrollo de la tecnología para un posible uso comercial.
Fuente: Tech Xplore.
