Científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Columbia han desarrollado una forma de convertir el dióxido de carbono (COdos), un potente gas de efecto invernadero, en nanofibras de carbono, materiales con una amplia gama de propiedades únicas y muchos usos potenciales a largo plazo. Su estrategia utiliza reacciones electroquímicas y termoquímicas en tándem realizadas a temperaturas y presiones ambientales relativamente bajas. Como describen los científicos en la revista. La catálisis de la naturalezaEste enfoque podría atrapar con éxito el carbono en una forma sólida, útil para compensar o incluso lograr emisiones de carbono negativas.
«Se pueden poner nanofibras de carbono en el cemento para fortalecerlo», dijo Jingguang Chen, profesor de ingeniería química en Columbia con un nombramiento conjunto en Brookhaven Lab, quien dirigió la investigación. “Esto atraparía el carbono en el hormigón durante al menos 50 años, potencialmente más. Para entonces, el mundo debería cambiar a fuentes de energía principalmente renovables que no emitan carbono”.
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Como beneficio adicional, el proceso también produce gas hidrógeno (H2), un combustible alternativo prometedor que, cuando se utiliza, genera cero emisiones.
Capturar o convertir carbono
La idea de capturar COdos o convertirlo en otros materiales para combatir el cambio climático no es nada nuevo. Pero simplemente almacenar COdos El gas puede provocar fugas. Y mucho COdos Las conversiones producen productos químicos o combustibles a base de carbono que se utilizan inmediatamente, lo que libera CO.dos directamente de regreso a la atmósfera.
«La novedad de este trabajo es que estamos intentando convertir el CO2 en algo con valor añadido, pero de una manera sólida y útil», afirmó Chen.
Estos materiales de carbono sólido –incluidos nanotubos y nanofibras de carbono con dimensiones que miden milmillonésimas de metro– tienen muchas propiedades atractivas, entre ellas resistencia y conductividad térmica y eléctrica. Pero no es una cuestión sencilla extraer carbono del dióxido de carbono y reunirlo en estas estructuras de pequeña escala. Un proceso impulsado por calor directo requiere temperaturas superiores a los 1.000 grados Celsius.
«La mitigación de CO2 a gran escala es muy poco realista», afirmó Chen. «Por el contrario, encontramos un proceso que puede ocurrir a alrededor de 400 grados centígrados, que es una temperatura mucho más práctica y alcanzable industrialmente».
El tándem de dos pasos
El truco consistió en dividir la reacción en etapas y utilizar dos tipos diferentes de catalizadores: materiales que facilitan la unión y reacción de las moléculas.
«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», dijo el científico investigador de Brookhaven Lab y Columbia, Zhenhua Xie, autor principal del artículo.
Los científicos comenzaron por darse cuenta de que el monóxido de carbono (CO) es un material de partida mucho mejor que el CO2 para producir nanofibras de carbono (CNF). Luego regresaron para encontrar la forma más eficiente de generar CO a partir de CO2.
El trabajo previo de su grupo los guió a utilizar un producto disponible comercialmente. electrocatalizador hecho de paladio soportado sobre carbono. Los electrocatalizadores impulsan reacciones químicas utilizando una corriente eléctrica. En presencia de electrones y protones que fluyen, el catalizador divide el CO2 y el agua (H2O) en CO y H2.
Para la segunda etapa, los científicos recurrieron a un termocatalizador hecho de una aleación de hierro y cobalto. Funciona a temperaturas de alrededor de 400 grados Celsius, significativamente más suaves que las que requeriría una conversión directa de CO2 en CNF. También descubrieron que agregar un poco de cobalto metálico adicional aumenta en gran medida la formación de nanofibras de carbono.
«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», dijo Chen.
Caracterización del catalizador
Para descubrir los detalles de cómo funcionan estos catalizadores, los científicos llevaron a cabo una amplia gama de experimentos. Estos incluyeron estudios de modelado computacional, estudios de caracterización física y química en el laboratorio de Brookhaven. Fuente de luz del Sincrotrón Nacional II (NSLS-II) – utilizando el Rápida absorción y dispersión de rayos X. (QAS) y Espectroscopia de capa interna (ISS) e imágenes microscópicas en microscopio electrónico instalación en el laboratorio Centro de nanomateriales funcionales (CFN).
En el frente del modelado, los científicos utilizaron cálculos de la “teoría funcional de la densidad” (DFT) para analizar las disposiciones atómicas y otras características de los catalizadores a medida que interactúan con el entorno químico activo.
«Estamos analizando las estructuras para determinar cuáles son las fases estables del catalizador en condiciones de reacción», explicó el coautor del estudio Ping Liu de la División de Química de Brookhaven, quien dirigió estos cálculos. “Estamos analizando los sitios activos y cómo estos sitios se unen a los intermediarios de la reacción. Al determinar las barreras o estados de transición de un paso a otro, aprendemos exactamente cómo funciona el catalizador durante la reacción”.
Los experimentos de difracción y absorción de rayos X en NSLS-II rastrearon cómo los catalizadores cambian física y químicamente durante las reacciones. Por ejemplo, los rayos X de sincrotrón revelaron cómo la presencia de corriente eléctrica transforma el paladio metálico del catalizador en hidruro de paladio, un metal esencial para la producción de H2 y CO en el primer paso de la reacción.
Para el segundo paso, «queríamos saber cuál es la estructura del sistema hierro-cobalto en las condiciones de reacción y cómo optimizar el catalizador de hierro-cobalto», dijo Xie. Los experimentos de rayos X confirmaron que tanto una aleación de hierro y cobalto como algo de cobalto metálico adicional están presentes y son necesarios para convertir el CO en nanofibras de carbono.
«Los dos trabajan juntos de forma secuencial», dijo Liu, cuyos cálculos de DFT ayudaron a explicar el proceso.
“Según nuestro estudio, los sitios de hierro y cobalto en la aleación ayudan a romper los enlaces CO del monóxido de carbono. Esto hace que el carbono atómico esté disponible para servir como fuente para construir nanofibras de carbono. Luego, el cobalto extra está ahí para facilitar la formación de los enlaces CC que conectan los átomos de carbono”, explicó.
Listo para el reciclaje, carbono negativo.
«El análisis de microscopía electrónica de transmisión (TEM) realizado en CFN reveló las morfologías, estructuras cristalinas y distribuciones elementales dentro de las nanofibras de carbono con y sin catalizadores», dijo el científico de CFN y coautor del estudio, Sooyeon Hwang.
Las imágenes muestran que a medida que crecen las nanofibras de carbono, el catalizador es empujado hacia arriba y lejos de la superficie. Esto facilita el reciclaje del metal catalítico, dijo Chen.
«Usamos ácido para lixiviar el metal sin destruir la nanofibra de carbono, de modo que podamos concentrar los metales y reciclarlos para usarlos nuevamente como catalizadores», dijo.
Esta facilidad de reciclaje de catalizadores, la disponibilidad comercial de los catalizadores y las condiciones de reacción relativamente suaves para la segunda reacción contribuyen a una evaluación favorable de la energía y otros costos asociados con el proceso, dijeron los investigadores.
«Para aplicaciones prácticas, ambos son realmente importantes: el análisis de la huella de CO2 y la reciclabilidad del catalizador», afirmó Chen. «Nuestros resultados técnicos y estos otros análisis muestran que esta estrategia conjunta abre una puerta a la descarbonización del CO2 en valiosos productos de carbono sólido y al mismo tiempo se produce H2 renovable».
Si estos procesos son impulsados por energía renovable, los resultados serían verdaderamente negativos en carbono, lo que abriría nuevas oportunidades para la mitigación del CO2.
Referencia: Xie Z, Huang E, Garg S, Hwang S, Liu P, Chen JG. Fijación de CO2 sobre nanofibras de carbono mediante catálisis electroquímica-termoquímica en tándem. Nat Catal. 2024. doi: 10.1038/s41929-023-01085-1
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