En la búsqueda de soluciones sostenibles para combatir el cambio climático, los científicos han explorado diversas tecnologías para convertir el dióxido de carbono (CO2) en combustibles limpios y productos químicos útiles. Sin embargo, uno de los desafíos más significativos en este proceso es la generación de subproductos no deseados, como el gas hidrógeno y los carbonatos. Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago ha encontrado una manera innovadora de abordar este problema, utilizando oro y zinc como catalizadores para hacer que la reducción electroquímica del dióxido de carbono (CO2R) sea más eficiente.
Reducción electroquímica del Dióxido de Carbono (CO2R)
El CO2, compuesto por un átomo de carbono y dos de oxígeno, puede reorganizarse a través de la CO2R para formar combustibles limpios y productos químicos útiles. Este proceso utiliza electricidad y agua para descomponer y reestructurar las moléculas de CO2, pero a menudo resulta ineficiente debido a reacciones competidoras que generan subproductos indeseables.
Una de las principales reacciones competidoras es la reacción de evolución de hidrógeno (HER), en la cual los átomos de hidrógeno se combinan para formar gas hidrógeno en lugar de integrarse en las moléculas deseadas. Esto reduce la eficiencia de la CO2R, ya que la energía y los átomos se desvían hacia la formación de hidrógeno en lugar de los combustibles o productos químicos pretendidos.
Manipulación del agua
Para abordar este desafío, los investigadores del Amanchukwu Lab en la Universidad de Chicago propusieron una estrategia innovadora: manipular las moléculas de agua utilizando disolventes orgánicos y aditivos ácidos. En un estudio publicado en Nature Catalysis, demostraron que podían realizar la CO2R con casi un 100% de eficiencia bajo condiciones ligeramente ácidas, utilizando oro o zinc como catalizadores.
El uso de disolventes orgánicos permitió al equipo controlar el comportamiento del agua, encontrando un punto óptimo donde el agua donaba la cantidad correcta de protones para crear las moléculas deseadas sin generar hidrógeno ni otros materiales no deseados como carbonatos. Esto fue posible gracias a la ingeniería del electrolito, que ajustó las condiciones para favorecer la formación de los productos pretendidos.
Uso de metales preciosos y alternativas más económicas
El uso de metales preciosos como el oro y la plata ha sido común en la investigación de CO2R debido a su alta estabilidad y efectividad como catalizadores. Sin embargo, estos metales son costosos, lo que limita su aplicación industrial a gran escala. Los investigadores encontraron que al ajustar el electrolito, podían obtener resultados similares utilizando zinc, un metal mucho más abundante y económico.
Chibueze Amanchukwu, el investigador principal, explicó: “Actualmente, la mejor manera de realizar esto electroquímicamente a temperatura ambiente es utilizando metales preciosos. El oro y la plata pueden suprimir un poco la reacción de evolución de hidrógeno. Gracias a nuestro descubrimiento, ahora podemos usar un metal abundante en la Tierra, el zinc, porque ahora tenemos una manera separada de controlar el agua.”
Energía limpia
Reggie Gomes, primer autor del estudio, destacó la importancia de esta investigación en un comunicado de prensa: “Imaginen que podemos tener electricidad verde a partir de energía solar y eólica, y luego usar esta electricidad para convertir cualquier dióxido de carbono nuevamente en combustibles.” Este avance no solo mejora la eficiencia de la conversión de CO2, sino que también crea un ciclo de energía limpio, donde el CO2 se recicla continuamente para producir combustibles sin generar subproductos contaminantes.
Aplicaciones futuras y sostenibilidad
El descubrimiento tiene el potencial de revolucionar la producción de combustibles limpios y productos químicos, haciendo que el proceso sea más viable y sostenible a escala industrial. La capacidad de utilizar metales abundantes y económicos como el zinc podría reducir significativamente los costos, facilitando una adopción más amplia de tecnologías de energía limpia.
Además, este enfoque innovador para la manipulación del agua podría aplicarse a otros procesos electroquímicos, mejorando la eficiencia y reduciendo la generación de subproductos no deseados en diversas aplicaciones industriales.