Se están realizando investigaciones y experimentos continuos para encontrar la mejor manera de capturar el dióxido de carbono de la atmósfera. Investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y de la Universidad de Columbia han desarrollado un método innovador para ello. El proceso de producción de nanofibras de carbono sólidas a partir de catalizadores de CO₂ no solo capturará carbono, sino que también producirá hidrógeno como subproducto.
Científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y de la Universidad de Columbia han descubierto un método para convertir el dióxido de carbono (CO₂) en nanofibras de carbono. Estos materiales poseen diversas propiedades especiales y podrían utilizarse de diversas maneras en el futuro. La estrategia que emplean implica... combinación de reacciones electroquímicas y termoquímicas Se llevó a cabo a bajas temperaturas y presión regular. Según detallan los científicos en su... publicaciónEste innovador método secuestra eficazmente el carbono en un valioso estado sólido, lo que permite mitigar o incluso revertir las emisiones de carbono. Además, el proceso también genera gas hidrógeno (H2), un combustible alternativo muy prometedor que, cuando se utiliza, produce cero emisiones.
Líder de la investigación e Ingeniería Química Profesor Jingguang Chen En Columbia, con un nombramiento conjunto en Brookhaven Lab, dijo: Se pueden incorporar nanofibras de carbono al cemento para fortalecerlo. Esto retendría el carbono en el hormigón durante al menos 50 años, o incluso más. Para entonces, el mundo debería haber adoptado principalmente fuentes de energía renovables que no emitan carbono.
Captura y conversión de carbono
Captura y conversión de CO2 Combatir el cambio climático no es un concepto nuevo. Sin embargo, el simple almacenamiento de CO2 puede provocar fugas. Muchas conversiones de CO2 generan sustancias químicas o combustibles a base de carbono que se utilizan inmediatamente, liberando CO2 de nuevo a la atmósfera.
El profesor Chen dijo: “La novedad de este trabajo es que intentamos convertir el CO2 en algo con valor añadido, pero en una forma sólida y útil”.
Las nanofibras y nanotubos de carbono son materiales sólidos de carbono con dimensiones de milmillonésimas de metro. Entre sus propiedades se incluyen la resistencia, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. Extraer carbono del CO2 y ensamblarlo en estructuras a pequeña escala no es fácil. Un proceso que depende del calor requiere temperaturas superiores a los 1,000 °C.
Es muy poco realista para la mitigación del CO2 a gran escala. En cambio, encontramos un proceso que puede ocurrir a unos 400 °C, una temperatura mucho más práctica y alcanzable a nivel industrial. El profesor Chen añadió.
El tándem de 2 pasos
La reacción se dividió en dos etapas para utilizar dos tipos diferentes de catalizador. Esto facilita la organización y la reacción de las moléculas.
Autor principal del artículo y científico investigador de Brookhaven Lab y Columbia, Zhenhua Xie, dijo, “Si se desacopla la reacción en varios pasos de subreacción, se puede considerar el uso de diferentes tipos de entrada de energía y catalizadores para que cada parte de la reacción funcione”.
Paso 1
Los científicos descubrieron que utilizando monóxido de carbono (CO) como material de partida Es más eficaz que el uso de CO₂ para producir nanofibras de carbono (CNF). Posteriormente, trabajaron en retrospectiva para determinar el método más eficiente para generar CO a partir de CO₂. Su trabajo previo los llevó a utilizar un electrocatalizador comercial hecho de paladio soportado sobre carbono. Este... El electrocatalizador puede dividir tanto el CO2 como el agua. en CO y H2 con la ayuda de una corriente eléctrica.
Paso 2
Luego, para la producción de nanofibras de carbono sólidas a partir de catalizadores de CO2, los científicos recurrieron a un termocatalizador activado por calor Fabricado con una aleación de hierro y cobalto. Funciona a temperaturas alrededor de 400° Celsius, significativamente más suave que una directa Conversión de CO2 a CNF Requerirían. También descubrieron que añadir un poco de cobalto metálico extra mejora considerablemente la formación de las nanofibras de carbono.
El profesor Chen dijo: “Al combinar la electrocatálisis y la termocatálisis, utilizamos este proceso en tándem para lograr resultados que no se pueden lograr con ninguno de los dos procesos por separado”.
Ver también: Reciclaje de CO2 para crear plásticos ecológicos
Investigación del catalizador
Los científicos realizaron diversos experimentos para comprender cómo funcionan estos catalizadores. En cuanto al modelado, emplearon teoría funcional de la densidad (DFT) cálculos para examinar las estructuras atómicas y otras propiedades de los catalizadores bajo diversas interacciones químicas. Los experimentos de rayos X en NSLS-II monitorearon las transformaciones físicas y químicas de los catalizadores a lo largo de las reacciones.
Coautor y líder de los cálculos del estudio, ping-liu de la División de Química de Brookhaven, dijo: Analizamos las estructuras para determinar cuáles son las fases estables del catalizador en las condiciones de reacción. Observamos los sitios activos y cómo estos se unen a los intermediarios de la reacción. Al determinar las barreras, o estados de transición, entre un paso y otro, comprendemos con precisión cómo funciona el catalizador durante la reacción.
“Para la segunda etapa, queríamos saber cuál es la estructura del sistema hierro-cobalto en condiciones de reacción y cómo optimizar el catalizador hierro-cobalto”. Xie añadió.
Los experimentos de rayos X Confirmó la presencia de una aleación de hierro y cobalto. También muestra algo de cobalto metálico adicional, necesario para convertir el CO en nanofibras de carbono. Según Liu, Ambos trabajan juntos secuencialmente. Según nuestro estudio, los sitios de cobalto-hierro en la aleación ayudan a romper los enlaces CO del monóxido de carbono. Esto permite que el carbono atómico esté disponible para servir como fuente para la construcción de nanofibras de carbono. El cobalto adicional facilita la formación de los enlaces CC que unen los átomos de carbono.
Respetuoso con el medio ambiente y carbono neutral
Científico del CFN y coautor del estudio, Soo Yeon Hwang, dijo, “El análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) realizado en el CFN reveló las morfologías, las estructuras cristalinas y las distribuciones elementales dentro de las nanofibras de carbono con y sin catalizadores”.
Según el profesor Chen, Las imágenes muestran que, a medida que las nanofibras de carbono crecen, el catalizador se eleva y se aleja de la superficie. Esto facilita el reciclaje del metal catalítico. Usamos ácido para lixiviar el metal sin destruir las nanofibras de carbono, lo que nos permite concentrar los metales y reciclarlos para su uso como catalizador.
El El proceso es rentable debido a las siguientes razones:
- Facilidad de catalizador reciclaje
- Disponibilidad comercial de catalizadores
- Condiciones de reacción relativamente suaves para la segunda reacción.
Para aplicaciones prácticas, ambos son fundamentales: el análisis de la huella de CO2 y la reciclabilidad del catalizador. Nuestros resultados técnicos y estos otros análisis demuestran que esta estrategia conjunta abre la puerta a la descarbonización del CO2 en valiosos productos de carbono sólido, a la vez que se produce H₂ renovable —añadió el profesor Chen—.
Si la producción de nanofibras de carbono sólidas a partir de catalizadores de CO2 es alimentado por recursos renovables, será verdaderamente neutral en carbonoEsto abrirá aún más nuevas oportunidades para la mitigación del CO2.
Fuente: La combinación catalítica convierte el CO2 en nanofibras de carbono sólidas
