Producción selectiva de etanol y etileno a partir de CO2
Mitigar la acumulación de CO2 en la atmósfera y su efecto en el clima es imperativo para la salud del planeta y el bienestar de sus habitantes. La descarbonización, el secuestro de carbono y el reciclado de carbono desempeñarán probablemente un papel esencial en este proceso. La reducción del CO2 durante la fotosíntesis es la forma que tiene la naturaleza de reciclar el carbono atmosférico para almacenar y liberar energía y fabricar otras moléculas. En la industria, la reacción de reducción de CO2 (CO2RR, por sus siglas en inglés) electroquímica es una de varias estrategias prometedoras. Puede utilizarse para producir combustibles y productos químicos con alto contenido en carbono, como monóxido de carbono (CO), etanol y etileno. Aunque los fundamentos del proceso de la CO2RR se han establecido a escala de laboratorio, se han necesitado optimizaciones de ingeniería para fabricar dispositivos comercialmente viables. El equipo del proyecto SELECTCO2, financiado con fondos europeos, abordó esta necesidad acuciante al mejor la selectividad y eficacia del proceso y, al mismo tiempo, mejorar la durabilidad de los componentes del dispositivo.
La reducción del CO2 mitiga su acumulación y la dependencia de los combustibles fósiles
El CO se produce normalmente mediante la reformación al vapor del gas natural y el etileno, descomponiendo los hidrocarburos de cadena larga de los combustibles fósiles. La fermentación de la biomasa emite una molécula de CO2 por cada molécula de etanol producida. Brian Seger, coordinador del proyecto en la Universidad Técnica de Dinamarca, explica: «Nuestro proceso comienza con un 100 % de CO2 y luego utiliza energía eléctrica y agua para convertir el CO2 en moléculas útiles. El CO es un intermediario en la conversión del CO2 en etanol y etileno, por lo que si empezamos con CO nos estamos saltando un paso. Esto hace que los flujos de salida que contienen CO sean beneficiosos. Los conocimientos de Tata Steel, miembro de nuestro consejo asesor industrial, fueron muy valiosos, ya que el proceso siderúrgico produce cantidades considerables de CO2 y CO».
Optimización de un dispositivo de CO2RR para su comercialización
El equipo de SELECTCO2 se propuso fabricar mejores dispositivos de electrólisis de CO2 aumentando el rendimiento del catalizador, la capa de difusión del gas y la membrana, así como su integración. Un modelo de transferencia de masa multiescala fue fundamental para mejorar las perspectivas comerciales del dispositivo. «Descubrimos los mecanismos de reacción que dificultan la separación del etanol de la producción de etileno, lo que explica nuestros obstáculos para obtener una buena selectividad del catalizador. Además, hemos determinado el punto de ramificación en el que la reacción da lugar al etanol o al etileno, lo que supone una gran ventaja de cara al futuro, ya que podemos investigar formas de modificar la selectividad», señala Seger. Mientras tanto, los procesos catalíticos térmicos pueden convertirse fácilmente entre estas especies, añadiendo agua al etileno o eliminándola del etanol. La combinación de estudios experimentales y computacionales dio lugar a optimizaciones del dispositivo satisfactorias. Antes de SELECTCO2, la CO2RR en celdas de electrólisis alcanzaba normalmente densidades de corriente en torno a 10 mA/cm2 para experimentos de 1 hora a escala de laboratorio. SELECTCO2 ha avanzado enormemente en este sentido, con densidades de corriente superiores a 200 mA/cm2 ―llegando incluso a más de 1 000 mA/cm2― y más de 100 horas de duración. «Hemos desarrollado membranas de intercambio aniónico de primera clase tan conductoras como las membranas comerciales, pero que pueden funcionar a temperaturas más altas y con mayor resistencia mecánica. Nuestros electrodos de difusión de gas mostraron un rendimiento excelente en comparación con los de referencia comercial y estamos trabajando para patentarlos. Por último, mejoramos con éxito la actividad de nuestros electrocatalizadores de CO2 a CO utilizando catalizadores de sitio único. Ahora se encuentran entre los más activos y selectivos disponibles», explica Seger. Este cambio radical en el rendimiento hace que la electrólisis sostenible de CO2RR, que mitiga las emisiones de CO2, salga del laboratorio y se acerque al mercado.
Palabras clave
SELECTCO2, CO2, etanol, etileno, CO2RR, catalizador, reducción del CO2, electrólisis, reacción de reducción de CO2, reciclado de carbono
