Un nuevo material catalizador desarrollado por los químicos del MIT proporciona información clave sobre los requisitos de diseño para la producción de combustibles líquidos a partir de dióxido de carbono, el principal componente de las emisiones de gases de efecto invernadero.
Un material catalizador basado en plata con una estructura porosa de forma de panal, desarrollado por el equipo del MIT, selectivamente puede transformar dióxido de carbono (CO2) a monóxido de carbono (CO). Fotografía: Christine Daniloff/MIT
Los resultados sugieren una ruta hacia el uso de la infraestructura del mundo existente para almacenamiento de combustible y distribución, sin la adición neta de efecto invernadero a la atmósfera.
El nuevo catalizador toma el proceso sólo a través de su primera etapa — convertir dióxido de carbono (CO2) en monóxido de carbono (CO), explica el profesor asistente de química Yogesh Surendranath, investigador en un nuevo estudio que describe el avance. Pero eso es un primer paso fundamental hacia la conversión de CO2 a otros productos químicos incluyendo los combustibles, dice; ya existen métodos establecidos para la conversión de CO e hidrógeno a una variedad de combustibles líquidos y otros productos.
El estudio aparece esta semana en la revista internacional de química Angewandte Chemie. Sus autores son Youngmin Yoon, un estudiante graduado en el MIT; Anthony Hall de Shoji, un ex postdoc MIT que ahora es profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Johns Hopkins; y Surendranath, quien es el Paul M. Cook Career Development Assistant Professor en el MIT.
"El problema en la conversión de CO2 es convertir selectivamente", dice Surendranath.
Mientras que esta molécula básica puede formar la base de prácticamente cualquier química basada en carbono, la parte difícil es crear un sistema en el cual CO2 se convierte constantemente a un único producto final que puede entonces ser procesado en el material deseado. El nuevo sistema, dice, ofrece sólo ese tipo de camino de conversión selectiva y específica y, de hecho, toda una serie de tales vías. Y si el hidrógeno y el CO se producen usando energía solar o eólica, todo el proceso podría ser carbono neutral.
Conversión regulable
"Lo que quieres es un catalizador armonioso", dice, y eso es justo lo que este equipo desarrolló, en forma de un material altamente poroso electrodo de plata. Dependiendo de la formulación exacta de este material, dice, es posible a las variaciones del diseño de este catalizador donde "cada uno puede ser diseñado para una aplicación diferente."
Los investigadores aprendieron que mediante la regulación de las dimensiones de los poros del material podrían conseguir el sistema para producir la deseada proporción de CO en el producto final.
La mayoría de los esfuerzos para "sintonizar" la selectividad de catalizadores de plata para la producción de CO se ha centrado en variar la química de la superficie activa del sitio. Sin embargo, con esta formulación, un material llamado ópalo inverso de plata, es la estructura de poro del material que determina el efecto. "Lo que encontramos fue muy simple," dice Surendranath. "Usted puede sintonizar las dimensiones del poro para afinar la selectividad y actividad del catalizador, sin modificar la química de la superficie activa del sitio".
Estructura de panal
El material poroso puede hacerse depositando pequeñas gotas de poliestireno sobre un sustrato conductor electrodo y electrodeposición de plata en la superficie, luego dissolver los granos, dejando los poros cuyo tamaño es determinado por el de los granos originales. Debido a la forma de esferas se organizan naturalmente al agruparse, este método produce una estructura de panal-como de células hexagonales, explica Surendranath.
Resulta que la variación del espesor de este catalizador poroso produce un doble efecto: como el ópalo inverso poroso se consigue más densamente, más fuertemente el catalizador promueve la producción de CO a CO2 por hasta tres veces, mientras también suprime una reacción alternativa, la producción de H2 (hidrógeno), por tanto como diez veces. Utilizando este efecto combinado, la producción de CO puede variar fácilmente para hacer en cualquier lugar del 5 al 85 por ciento de la producción de la reacción. Los resultados del estudio proporcionan penetraciones fundamentales que pueden aplicarse al diseño de otros materiales de catalizador para la producción de combustible de CO2.
Este avance representa un paso en la conversión de dióxido de carbono en combustibles utilizables, y la manifestación inicial es a escala de laboratorio pequeño. Por lo tanto, todavía queda mucho trabajo para que esto se convierta en un enfoque práctico para la fabricación de combustibles de transporte. Pero debido a la selectividad y eficiencia de este paso de conversión inicial se coloca un límite en la eficiencia global de producción de combustible de CO2, en términos técnicos, Surendranath dice, el trabajo proporciona una idea fundamental clave de cómo diseñar tecnologías de carbono para reemplazar los sistemas existentes de combustibles fósiles, sin dejar de ser capaces de utilizar toda la infraestructura existente de las gasolineras, vehículos de entrega y tanques de almacenamiento..
En última instancia, las plantas de conversión podrían conectarse directamente al flujo de las emisiones de las centrales eléctricas de combustibles fósiles, por ejemplo, para convertir el CO2 en combustible en el lugar de liberación en la atmósfera en todos. "Somos muy optimistas" que el proceso puede ser desarrollado con éxito, dice Surendranath. Si es así, podría representar "el cierre del ciclo de carbono antropogénico," mediante el uso de electricidad renovable generada a las emisiones de gases de efecto invernadero en combustible.
En esencia, él dice, el proceso neto estaría haciendo lo mismo que las plantas y cianobacterias lo hicieron en la tierra millones de años para producir los combustibles fósiles en primer lugar: tomar dióxido de carbono del aire y convertirlos en moléculas más complejas. Pero en este caso, en lugar de tomar lugar durante milenios, el proceso se replica muy rápidamente en un laboratorio o una fábrica. "Es lo mismo que nos dieron estos combustibles en el primer lugar", él dice, "pero necesitamos hacerlo más rápido y más eficiente que la fotosíntesis natural".
Este trabajo podría tener "grandes impactos sobre la ciencia básica de importantes reacciones para producir combustibles," dice Ken Sakaushi, investigador en el Instituto Nacional de Ciencias de los materiales en Tsukuba, Japón, quien no participó en esta investigación. "Recientemente, muchas obras se centran sólo en el lado de aplicación y así hacen menos de una contribución sobre ciencia básica. Sin embargo, este trabajo parece tratar de contribuir a este importante tema en la ciencia de los fundamentos". Por eso, esta investigación tiene "alto valor", dice.
Un material catalizador basado en plata con una estructura porosa de forma de panal, desarrollado por el equipo del MIT, selectivamente puede transformar dióxido de carbono (CO2) a monóxido de carbono (CO). Fotografía: Christine Daniloff/MIT
Los resultados sugieren una ruta hacia el uso de la infraestructura del mundo existente para almacenamiento de combustible y distribución, sin la adición neta de efecto invernadero a la atmósfera.
El nuevo catalizador toma el proceso sólo a través de su primera etapa — convertir dióxido de carbono (CO2) en monóxido de carbono (CO), explica el profesor asistente de química Yogesh Surendranath, investigador en un nuevo estudio que describe el avance. Pero eso es un primer paso fundamental hacia la conversión de CO2 a otros productos químicos incluyendo los combustibles, dice; ya existen métodos establecidos para la conversión de CO e hidrógeno a una variedad de combustibles líquidos y otros productos.
El estudio aparece esta semana en la revista internacional de química Angewandte Chemie. Sus autores son Youngmin Yoon, un estudiante graduado en el MIT; Anthony Hall de Shoji, un ex postdoc MIT que ahora es profesor de ciencia de los materiales en la Universidad de Johns Hopkins; y Surendranath, quien es el Paul M. Cook Career Development Assistant Professor en el MIT.
"El problema en la conversión de CO2 es convertir selectivamente", dice Surendranath.
Mientras que esta molécula básica puede formar la base de prácticamente cualquier química basada en carbono, la parte difícil es crear un sistema en el cual CO2 se convierte constantemente a un único producto final que puede entonces ser procesado en el material deseado. El nuevo sistema, dice, ofrece sólo ese tipo de camino de conversión selectiva y específica y, de hecho, toda una serie de tales vías. Y si el hidrógeno y el CO se producen usando energía solar o eólica, todo el proceso podría ser carbono neutral.
Conversión regulable
"Lo que quieres es un catalizador armonioso", dice, y eso es justo lo que este equipo desarrolló, en forma de un material altamente poroso electrodo de plata. Dependiendo de la formulación exacta de este material, dice, es posible a las variaciones del diseño de este catalizador donde "cada uno puede ser diseñado para una aplicación diferente."
Los investigadores aprendieron que mediante la regulación de las dimensiones de los poros del material podrían conseguir el sistema para producir la deseada proporción de CO en el producto final.
La mayoría de los esfuerzos para "sintonizar" la selectividad de catalizadores de plata para la producción de CO se ha centrado en variar la química de la superficie activa del sitio. Sin embargo, con esta formulación, un material llamado ópalo inverso de plata, es la estructura de poro del material que determina el efecto. "Lo que encontramos fue muy simple," dice Surendranath. "Usted puede sintonizar las dimensiones del poro para afinar la selectividad y actividad del catalizador, sin modificar la química de la superficie activa del sitio".
Estructura de panal
El material poroso puede hacerse depositando pequeñas gotas de poliestireno sobre un sustrato conductor electrodo y electrodeposición de plata en la superficie, luego dissolver los granos, dejando los poros cuyo tamaño es determinado por el de los granos originales. Debido a la forma de esferas se organizan naturalmente al agruparse, este método produce una estructura de panal-como de células hexagonales, explica Surendranath.
Resulta que la variación del espesor de este catalizador poroso produce un doble efecto: como el ópalo inverso poroso se consigue más densamente, más fuertemente el catalizador promueve la producción de CO a CO2 por hasta tres veces, mientras también suprime una reacción alternativa, la producción de H2 (hidrógeno), por tanto como diez veces. Utilizando este efecto combinado, la producción de CO puede variar fácilmente para hacer en cualquier lugar del 5 al 85 por ciento de la producción de la reacción. Los resultados del estudio proporcionan penetraciones fundamentales que pueden aplicarse al diseño de otros materiales de catalizador para la producción de combustible de CO2.
Este avance representa un paso en la conversión de dióxido de carbono en combustibles utilizables, y la manifestación inicial es a escala de laboratorio pequeño. Por lo tanto, todavía queda mucho trabajo para que esto se convierta en un enfoque práctico para la fabricación de combustibles de transporte. Pero debido a la selectividad y eficiencia de este paso de conversión inicial se coloca un límite en la eficiencia global de producción de combustible de CO2, en términos técnicos, Surendranath dice, el trabajo proporciona una idea fundamental clave de cómo diseñar tecnologías de carbono para reemplazar los sistemas existentes de combustibles fósiles, sin dejar de ser capaces de utilizar toda la infraestructura existente de las gasolineras, vehículos de entrega y tanques de almacenamiento..
En última instancia, las plantas de conversión podrían conectarse directamente al flujo de las emisiones de las centrales eléctricas de combustibles fósiles, por ejemplo, para convertir el CO2 en combustible en el lugar de liberación en la atmósfera en todos. "Somos muy optimistas" que el proceso puede ser desarrollado con éxito, dice Surendranath. Si es así, podría representar "el cierre del ciclo de carbono antropogénico," mediante el uso de electricidad renovable generada a las emisiones de gases de efecto invernadero en combustible.
En esencia, él dice, el proceso neto estaría haciendo lo mismo que las plantas y cianobacterias lo hicieron en la tierra millones de años para producir los combustibles fósiles en primer lugar: tomar dióxido de carbono del aire y convertirlos en moléculas más complejas. Pero en este caso, en lugar de tomar lugar durante milenios, el proceso se replica muy rápidamente en un laboratorio o una fábrica. "Es lo mismo que nos dieron estos combustibles en el primer lugar", él dice, "pero necesitamos hacerlo más rápido y más eficiente que la fotosíntesis natural".
Este trabajo podría tener "grandes impactos sobre la ciencia básica de importantes reacciones para producir combustibles," dice Ken Sakaushi, investigador en el Instituto Nacional de Ciencias de los materiales en Tsukuba, Japón, quien no participó en esta investigación. "Recientemente, muchas obras se centran sólo en el lado de aplicación y así hacen menos de una contribución sobre ciencia básica. Sin embargo, este trabajo parece tratar de contribuir a este importante tema en la ciencia de los fundamentos". Por eso, esta investigación tiene "alto valor", dice.
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