Un equipo de investigadores de la Universidad Rice ha descubierto un método sorprendentemente simple para mejorar enormemente la estabilidad de los dispositivos electroquímicos que convierten el dióxido de carbono en combustibles y productos químicos útiles, y no implica nada más que enviar el CO2 a través de un burbujeador de ácido.
Su estudio, publicado en Science, aborda un importante cuello de botella en el rendimiento y la estabilidad de los sistemas de reducción de CO2: la acumulación de sal que obstruye los canales de flujo de gas, reduce la eficiencia y provoca que los dispositivos fallen prematuramente.
Utilizando una técnica que denominan CO2 humidificado con ácido, los investigadores ampliaron la vida operativa de un sistema de reducción de CO2 más de 50 veces, demostrando más de 4.500 horas de funcionamiento estable en un reactor de mayor escala, un hito en este campo. La reducción electroquímica de CO2 , o CO2 RR, es una tecnología verde emergente que utiliza electricidad, idealmente proveniente de fuentes renovables, para transformar el CO2 que calienta el clima en productos valiosos como monóxido de carbono, etileno o alcoholes. Estos productos pueden refinarse aún más para transformarlos en combustibles o usarse en procesos industriales, convirtiendo potencialmente un importante contaminante en materia prima.
Sin embargo, la implementación práctica se ha visto obstaculizada por la baja estabilidad del sistema. Un problema persistente es la acumulación de sales de bicarbonato de potasio en los canales de flujo de gas, que se produce cuando los iones de potasio migran desde el anolito a través de la membrana de intercambio aniónico hasta la zona de reacción del cátodo y se combinan con CO₂ en condiciones de pH alto.
“La precipitación de sal bloquea el transporte de CO2 e inunda el electrodo de difusión de gas, lo que provoca fallas en el rendimiento”, dijo Haotian Wang, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia de los materiales y nanoingeniería y química en Rice.
“Esto suele ocurrir en unos pocos cientos de horas, lo cual está lejos de la viabilidad comercial”.
Para combatir esto, el equipo de Rice probó una variante elegante de un procedimiento estándar. En lugar de usar agua para humidificar el CO₂ que entraba en el reactor, lo burbujearon a través de una solución ácida, como ácido clorhídrico, fórmico o acético. El vapor del ácido se transporta a la cámara de reacción catódica en cantidades mínimas, suficientes para alterar la química local. Dado que las sales formadas con estos ácidos son mucho más solubles que el bicarbonato de potasio, no cristalizan ni obstruyen los canales.
El efecto fue drástico. En pruebas con un catalizador de plata —un parámetro común para convertir CO₂ en monóxido de carbono—, el sistema funcionó de forma estable durante más de 2000 horas en un dispositivo a escala de laboratorio y más de 4500 horas en un electrolizador de 100 centímetros cuadrados a mayor escala. Por el contrario, los sistemas que utilizan CO2 humidificado con agua estándar fallaron después de aproximadamente 80 horas debido a la acumulación de sal.
Cabe destacar que el método de humidificación ácida demostró ser eficaz con diversos tipos de catalizadores, como óxido de zinc, óxido de cobre y óxido de bismuto, todos ellos utilizados para la determinación de diferentes productos de CO₂ RR. Los investigadores también demostraron que el método podía escalarse sin comprometer el rendimiento con dispositivos a gran escala, manteniendo la eficiencia energética y evitando el bloqueo de sales durante períodos prolongados.
Observaron una corrosión o daño mínimos en las membranas de intercambio aniónico, que suelen ser sensibles al cloruro al mantener bajas las concentraciones de ácido. El método también demostró ser compatible con las membranas y materiales de uso común, lo que refuerza su potencial de integración en sistemas existentes.
Para observar la formación de sal en tiempo real, el equipo utilizó reactores a medida con placas de flujo transparentes. Con la humidificación convencional con agua, los cristales de sal comenzaron a formarse en 48 horas. Sin embargo, con CO₂ humidificado con ácido, no se observó una acumulación significativa de cristales, incluso después de cientos de horas, y los pequeños depósitos se disolvieron y fueron expulsados del sistema.
“El uso del método tradicional de CO2 humidificado con agua podría conducir a la formación de sal en los canales de flujo de gas del cátodo”, dijo el coautor principal Shaoyun Hao, investigador asociado postdoctoral en ingeniería química y biomolecular en Rice.
“Planteamos la hipótesis, y confirmamos, de que el vapor ácido podría disolver la sal y convertir el KHCO₃ de baja solubilidad en una sal con mayor solubilidad, modificando así el equilibrio de solubilidad lo suficiente como para evitar obstrucciones sin afectar el rendimiento del catalizador”.
El trabajo abre la puerta a electrolizadores de CO2 más duraderos y escalables, una necesidad crítica si la tecnología se va a implementar a escala industrial como parte de las estrategias de captura y utilización de carbono. La simplicidad del enfoque, que implica solo pequeños ajustes a las configuraciones de humidificación existentes, significa que puede adoptarse sin rediseños significativos ni costos adicionales.
“Este es un hallazgo importante para la electrólisis de CO2“, afirmó Ahmad Elgazzar, coautor principal y estudiante de posgrado en ingeniería química y biomolecular en Rice.
“Nuestro método aborda un obstáculo de larga data con una solución económica y de fácil implementación. Es un paso hacia una mayor viabilidad comercial y sostenibilidad de las tecnologías de aprovechamiento del carbono”.
Fuente: Tech Xplore.
