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 Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. y de la Universidad de Columbia han descubierto un método para transformar el dióxido de carbono (CO₂) en nanofibras de carbono. Estos materiales poseen diversas propiedades especiales y podrían tener múltiples aplicaciones en el futuro. La estrategia empleada consiste en la combinación de reacciones electroquímicas y termoquímicas llevadas a cabo a bajas temperaturas y presión constante. Como detallan los científicos en su publicación , este innovador método secuestra eficazmente el carbono en un valioso estado sólido, lo que permite mitigar e incluso revertir las emisiones de carbono. Además, el proceso también genera hidrógeno (H₂ ) , un combustible alternativo muy prometedor que, al utilizarse, no produce emisiones.
El líder de la investigación y profesor de Ingeniería Química, Jingguang Chen, de la Universidad de Columbia, con un nombramiento conjunto en el Laboratorio Brookhaven, afirmó: “Se pueden incorporar nanofibras de carbono al cemento para fortalecerlo. Esto mantendría el carbono atrapado en el hormigón durante al menos 50 años, e incluso más. Para entonces, el mundo debería haber transitado hacia fuentes de energía principalmente renovables que no emitan carbono”.
Captura y conversión de carbono
La captura y conversión de CO2 para combatir el cambio climático no es un concepto nuevo. Sin embargo, el simple almacenamiento de CO2 puede provocar fugas. Muchas conversiones de CO2 generan productos químicos o combustibles a base de carbono que se utilizan de inmediato, liberando CO2 de nuevo a la atmósfera.
El profesor Chen afirmó: “La novedad de este trabajo reside en que estamos intentando convertir el CO2 en algo que tenga 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 de 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”, añadió el profesor Chen.
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.
Zhenhua Xie , autor principal del artículo e investigador científico del Laboratorio Brookhaven y de la Universidad de Columbia, afirmó: "Si se divide la reacción en varias subetapas, se puede considerar el uso de diferentes tipos de aporte de energía y catalizadores para que cada parte de la reacción funcione".
Paso 1
Los científicos descubrieron que usar monóxido de carbono (CO) como materia prima es más eficaz que usar CO₂ para producir nanofibras de carbono (CNF). Posteriormente, determinaron el método más eficiente para generar CO a partir de CO₂. Su trabajo previo los llevó a utilizar un electrocatalizador comercial de paladio soportado sobre carbono. Este electrocatalizador puede separar tanto el CO₂ como el agua en CO y H₂ mediante una corriente eléctrica.
Paso 2
Para la producción de nanofibras de carbono sólidas a partir de catalizadores de CO2, los científicos recurrieron a un termocatalizador activado por calor, compuesto de una aleación de hierro y cobalto. Este opera a temperaturas cercanas a los 400 °C , significativamente más suaves que las que requeriría una conversión directa de CO2 a nanofibras de carbono. También descubrieron que añadir una pequeña cantidad de cobalto metálico adicional mejora notablemente la formación de las nanofibras de carbono.
El profesor Chen afirmó: "Al combinar la electrocatálisis y la termocatálisis, estamos utilizando este proceso en tándem para lograr cosas que no se pueden lograr con ninguno de los dos procesos por separado".
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Investigación del catalizador
Los científicos realizaron diversos experimentos para comprender el funcionamiento de estos catalizadores. Para la modelización, emplearon cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT) para examinar las estructuras atómicas y otras propiedades de los catalizadores bajo diversas interacciones químicas. Los experimentos de rayos X en el NSLS-II permitieron monitorizar las transformaciones físicas y químicas de los catalizadores a lo largo de las reacciones.
Ping Liu, coautora y responsable de los cálculos del estudio, perteneciente a la División de Química de Brookhaven, explicó: “Estamos analizando las estructuras para determinar cuáles son las fases estables del catalizador en las condiciones de reacción. Estamos estudiando los sitios activos y cómo estos se unen a los intermediarios de la reacción. Al determinar las barreras, o estados de transición, entre una etapa y otra, 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 de hierro-cobalto”, añadió Xie.
Los experimentos de rayos X confirmaron la presencia de una aleación de hierro y cobalto. También mostraron cobalto metálico adicional, necesario para convertir el CO en nanofibras de carbono. Según Liu, “Ambos actúan de forma secuencial. De acuerdo con nuestro estudio, los sitios de cobalto-hierro en la aleación ayudan a romper los enlaces CO del monóxido de carbono. Esto libera carbono atómico que sirve como fuente para la formación de nanofibras de carbono. El cobalto adicional facilita la formación de los enlaces C-C que unen los átomos de carbono”.
Respetuoso con el medio ambiente y carbono neutral
La científica del CFN y coautora del estudio, Soo Yeon Hwang , declaró: "El análisis mediante 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, tanto con como sin catalizadores".
Según el profesor Chen, “las imágenes muestran que, a medida que crecen las nanofibras de carbono, el catalizador se desplaza hacia arriba y se aleja de la superficie. Esto facilita el reciclaje del metal catalítico. Utilizamos ácido para extraer el metal sin destruir la nanofibra de carbono, de modo que podemos concentrar los metales y reciclarlos para usarlos nuevamente como catalizador”.
El proceso resulta rentable por 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 sólido a partir de catalizadores de CO2 se basa en recursos renovables , será verdaderamente neutra en carbono . Esto abrirá nuevas oportunidades para la mitigación de las emisiones de CO2.
Fuente : Combinación catalítica que convierte el CO2 en nanofibras de carbono sólidas
