¿Puede la catálisis salvarnos de nuestro problema de CO2?

El planeta Tierra tiene un problema de dióxido de carbono. A diario, escuchamos sobre las emisiones de CO2 que contribuyen al aumento de las temperaturas globales y al cambio climático sin precedentes. Las actividades humanas están bombeando aproximadamente 37,1 mil millones de toneladas de CO2 al aire cada año, casi el 80% de esto proviene directamente de combustibles fósiles. Si bien las emisiones están disminuyendo en algunas economías avanzadas, la tendencia global de aumento de las emisiones muestra pocos signos de desaceleración; de hecho, se espera que en 2019 se produzca uno de los mayores aumentos en los niveles de CO2 atmosférico desde que comenzaron los registros . Si la situación continúa, las posibilidades de alcanzar los objetivos del Acuerdo de París se reducirán a nada y el espectro del caos climático irreversible se convertirá en una realidad aterradora.

Científicos de todo el mundo están trabajando en formas de evitar este problema, incluida la captura de CO2 producido por las actividades de la humanidad. Pero, una vez capturado, ¿cómo podemos hacer un buen uso del CO2 formado como subproducto de tantos procesos? Algunos dicen que lo almacenemos bajo tierra, otros sugieren que lo tratemos como un recurso valioso que no debe desecharse. Las empresas ya están comercializando tecnologías que convierten el CO2 capturado en materiales de construcción, fertilizantes e incluso plásticos. Otra propuesta es utilizar el gas directamente para mejorar la recuperación de petróleo, aunque las credenciales ecológicas de esta opción son dudosas.

Un área de investigación cada vez más activa tiene como objetivo aprovechar la electricidad renovable para convertir el CO2 no deseado en productos químicos valiosos. Convertir el CO2 en combustibles y materias primas no solo convierte un producto de desecho contaminante en algo útil, sino que también reduce nuestra dependencia de los combustibles fósiles que lo generan en primer lugar. “Estamos tratando de ver, si comenzamos con el CO2 como fuente de carbono en lugar de una fuente de carbono de petróleo, qué tipo de química podemos hacer y qué tipo de productos podemos hacer”, dice Feng Jiao, quien lidera un grupo de investigación de dispositivos electroquímicos para la utilización de carbono en la Universidad de Delaware.

El proceso generalmente funciona alimentando una corriente concentrada de CO2 en una celda de electrólisis. El CO2 se reduce en la superficie de un electrodo y, dependiendo del número de electrones transferidos, se puede crear una gama de moléculas. Estos productos se forman en el electrolito y luego se alimentan a un sistema de separación, mientras que el electrolito y el CO2 sin reaccionar se reciclan. Los productos comunes son el monóxido de carbono, el metano y el ácido fórmico. Pero son posibles productos más complejos y valiosos, como el etanol e incluso el propanol.

Economía de carbono

Jiao ha realizado un análisis en profundidad de la economía de la electroreducción de CO2 a gran escala,1 y el año pasado testificó ante un comité de energía del Senado de los Estados Unidos sobre el potencial de la tecnología. Las consideraciones financieras clave son el precio del CO2 capturado, los materiales de los electrolizadores y su vida útil, la purificación del producto y, lo que es crucial, el costo de la electricidad que impulsa el proceso. “El costo de la electricidad es realmente significativo, es aproximadamente el 70% del costo total de operación”, señala Jiao. Esto significa que, a medida que el coste de la electricidad procedente de fuentes renovables sigue disminuyendo, la conversión electrocatalítica de CO2 se convierte en una perspectiva tentadora. Los modelos actuales sugieren que a un precio de electricidad de £0.03 / kWh, la electrorreducción de CO2 se convierte en una forma competitiva de producir varios productos más comúnmente derivados de fuentes de combustibles fósiles. Para poner esto en contexto, los proyectos eólicos terrestres ya producen electricidad a menos de £0.05 por kWh, con algunos consistentemente por debajo del objetivo de £0.03.

Un beneficio adicional de la reducción de CO2 en comparación, por ejemplo, con el agua electrolizada para producir hidrógeno, es que los productos de hidrocarburos líquidos generados están listos para alimentar las infraestructuras de energía y transporte existentes. Jiao también observa que, si bien las tecnologías de electrolizadores se utilizan actualmente a pequeña escala en el laboratorio, son inherentemente escalables y adecuadas para fuentes de CO2, como centrales eléctricas o plantas químicas. “Creo que esta tecnología se puede implementar en un período de tiempo relativamente corto”, añade.

Entonces, ¿puede la tecnología realmente hacer mella en las cantidades de CO2 que se liberan a nivel mundial? Jiao estima que se necesitarían 1,5 billones de vatios, equivalentes a alrededor del 8% de la producción total de energía del mundo, para convertir el CO2 liberado por el sector energético estadounidense en los productos más simples. “Por supuesto, este es un problema complicado, definitivamente no podrás tomar toda la electricidad y hacer esta conversión, porque otros lugares necesitan electricidad”, dice. Pero Jiao es firme en que la necesidad de dejar de usar combustibles fósiles, junto con la creciente disponibilidad de electricidad renovable, creará una oportunidad única para los sistemas electroquímicos. “Pero no olvides que la conversión electroquímica de CO2 es solo parte del camino para abordar el problema de las emisiones de CO2”, agrega Jiao. Predice un futuro en el que los enfoques electrocatalíticos actúan como parte de un conjunto de tecnologías, incluidos los procesos termoquímicos y biológicos, para abordar nuestros problemas de emisiones.

Hacer realidad esta visión significará encontrar soluciones a una serie de problemas. Los sobrecotenciales necesarios para impulsar el proceso deben reducirse, de modo que se necesita menos electricidad para reducir el CO2. También es importante aumentar la eficiencia de conversión, transformando una mayor parte del CO2 que fluye a través del sistema en valiosos combustibles y materias primas. Estos deben formarse en altas concentraciones con productos secundarios mínimos, para reducir los costos, tanto financieros como energéticos, de separar las mezclas. Y es necesario mejorar los productos en sí mismos: al crear productos químicos más complejos y valiosos, la tecnología se vuelve más económica, con un mayor retorno de la inversión. Los avances recientes han hecho avances en todos estos objetivos, fortaleciendo la visión de Jiao de que esta tecnología será viable en un futuro cercano.

Ahora se está trabajando mucho para expandir los tipos de moléculas que puede fabricar. “Los materiales más interesantes para la comunidad de electrólisis de CO2 son probablemente catalizadores a base de cobre”, explica Jiao. “Esto se debe a que pueden crear enlaces carbono–carbono, por lo que se pueden fabricar compuestos C2 o incluso C3.”El etileno es particularmente atractivo, ya que puede utilizarse para fabricar una amplia gama de compuestos, mientras que el etanol y el propanol pueden utilizarse como combustibles.

Efectos de superficie

Los enfoques principales requieren que el CO2 se reduzca primero a CO, que luego puede reaccionar aún más. Un proceso de dos pasos parece la forma más probable de avanzar para las tecnologías de electrolizadores. Sin embargo, un informe reciente demostró un catalizador en tándem de oro y cobre en el que las nanopartículas de oro generan una alta concentración de CO, que luego se reduce a alcoholes como el etanol y el n-propanol mediante una lámina de cobre circundante.2 Este sistema es 100 veces más selectivo para productos C2 que productos de carbono único como metano o metanol.

La estructura superficial del catalizador juega un papel vital. Se demostró que un electrodo compuesto de nanopartículas de cobre en una película texturizada a base de grafeno genera etanol a partir de CO2 en selectividades de hasta el 84% y en otros lugares, también se ha demostrado que las superficies de cobre dopadas con boro mejoran la estabilidad del catalizador y la generación de productos de C2. El grupo de Jiao ha demostrado recientemente que una cuidadosa selección de la superficie de cobre expuesta en nanoplantas 2D puede suprimir la formación de subproductos comunes mientras genera acetato a altas tasas y selectividad.

Ted Sargent lidera un grupo en la Universidad de Toronto que ha estado investigando extensamente el papel que desempeñan los defectos en el rendimiento de los catalizadores. Recientemente desarrollaron partículas de cobre con nanocavidades especialmente adaptadas que fomentan la formación de propanol.3 Las cavidades atrapan eficazmente los intermedios de C2 forzando otro carbono sobre ellos. El sistema logró selectividades de propanol significativamente más altas que otros catalizadores de última generación. “Este es un avance real, es una eficiencia faradaica impresionantemente alta para los productos C3 y muestra un mango, la palanca para apuntar la reducción de CO hacia productos de tres carbonos”, dice Sargent. El grupo también ha demostrado que la introducción de adpartículas-grupos de átomos de baja coordinación-en superficies de electrodos puede proporcionar resultados igualmente impresionantes y Sargent cree que los nuevos desarrollos permitirán la producción de cadenas de carbono C4 e incluso más largas en el futuro.

Si bien la capacidad de fabricar estos productos complejos es una clara ventaja, las nuevas innovaciones también están mejorando la eficiencia de los sistemas de electrolizadores. En particular, los electrodos de difusión de gas están superando los problemas planteados por la baja solubilidad del CO en electrolitos acuosos y permiten tasas de conversión más altas. Estos electrodos incorporan una capa porosa a través de la cual se envía gas antes de llegar al catalizador. El grupo de Sargent demostró un catalizador formado por una capa de cobre de 100 nm de espesor depositada en una capa de difusión de gas a base de carbono que permitió la producción de etileno a partir de CO2 con una selectividad del 70%.4 Mientras tanto, el equipo de Jiao ha utilizado electrodos porosos en un sistema que ofrece la electroreducción de CO más rápida reportada a productos de dos carbonos largos y más allá. Sin embargo, incluso en este caso, solo el 26% del CO total que ingresa a la celda se convierte en una sola pasada.5

Consumidoras de gas

Es posible que ya exista una solución de ingeniería para el problema de conversión. En otro estudio reciente, un equipo dirigido por Matt Kanan de la Universidad de Stanford reutilizó la tecnología de flujo utilizada en la industria de las pilas de combustible para mejorar la difusión de gas. El equipo utilizó un campo de flujo interdigitado para forzar la mayor cantidad de gas posible en la capa de difusión de gas del electrodo en un sistema que produce acetato de sodio a partir de CO.

‘Lo primero que hicimos fue intentar maximizar el transporte del CO a la superficie del catalizador y, al mismo tiempo, la extracción de los productos del catalizador”, explica Kanan. “Y luego, la segunda gran cosa que hicimos fue jugar con la interfaz entre el electrodo y el resto de la célula para tratar realmente de minimizar la cantidad de electrolito líquido para que pudiéramos producir flujos de productos líquidos concentrados”, agrega. El sistema logra una impresionante conversión del 68% del CO que entra en la celda en una sola pasada.

Además de fabricar combustibles y materias primas para procesos cotidianos, estos electrolizadores de CO2 podrían algún día tener aplicaciones más lejanas. El grupo de Kanan está trabajando con la Nasa para convertir el CO2 en alimento y materia prima para misiones espaciales a largo plazo. “El quid de nuestra colaboración es que puede diseñar microbios para tomar sustratos y producir todo tipo de cosas que son útiles para sostener la vida humana, incluidos alimentos, nutrientes y vitaminas”, explica Kanan. “Pero por ciertas razones no se pueden usar organismos fotosintéticos, simplemente no es lo suficientemente eficiente usar una fotorreacción en el espacio.”

Para apoyar a los microbios en estas condiciones, el equipo de Kanan propone reciclar el CO2 exhalado por los astronautas. “Resulta que si se puede fabricar un sustrato de C2, en particular acetato, hay una serie de microorganismos que no solo pueden crecer, sino que pueden usar acetato como fuente de carbono y energía para la biosíntesis y para hacer todo tipo de cosas útiles”, dice Kanan.

Si bien estos avances son prometedores, todavía hay trabajo por hacer. Una preocupación importante es que la mayoría de las nuevas investigaciones solo se centran en las eficiencias en el lado de la célula donde se está produciendo la reducción. “Como comunidad, necesitamos comenzar a analizar la eficiencia general de conversión de energía porque todos nuestros modelos tecnoeconómicos muestran que es necesario que esto supere el 50% y la mayoría de los dispositivos de los que estamos informando están en el rango del 20-30%, y esos son los mejores.”dice Sargent. “La elaboración de enfoques para lograr la máxima selectividad en corrientes altas, pero en voltaje mínimo, sigue siendo una alta prioridad.”

Mostrar cómo los sistemas se pueden diseñar a escalas más grandes y demostrar la durabilidad también será un desafío considerable. El modelo económico de Jiao considera sistemas comerciales de reducción de CO2 con una vida útil de 20 años. “Pero en el laboratorio apenas podemos hacer pruebas una semana, por lo que hay una brecha significativa allí”, dice.

Sin duda, todavía hay obstáculos que superar antes de que esta tecnología pueda utilizarse a escala, pero el uso de electricidad limpia para convertir el CO2 en combustibles y materias primas que puedan integrarse rápidamente con la infraestructura existente es un objetivo importante y alcanzable. El campo está atrayendo un gran interés de la academia, las empresas emergentes y las agencias gubernamentales, y el desarrollo en los próximos años será crucial para que la tecnología nos ayude a salvarnos de nosotros mismos.