Cerrar el ciclo del carbono con producción verde de propano

Tecnología científica

Durante los últimos tres siglos, especialmente desde la Revolución Industrial de finales del siglo XVIII y XIX, las actividades humanas han aumentado significativamente los niveles de gases de efecto invernadero en la atmósfera terrestre. Los principales culpables son el consumo de combustibles fósiles, los procesos industriales, la deforestación y la gestión de residuos.

En respuesta, Estados Unidos pretende reducir las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 50% y un 52% con respecto a los niveles de 2005 para 2030. Esta iniciativa se alinea con un esfuerzo global para lograr emisiones netas de gases de efecto invernadero cero para 2050. Los sectores de energía eléctrica y de industria contribuyen a aproximadamente la mitad de las emisiones de dióxido de carbono (CO2) de Estados Unidos, es imperativo encontrar soluciones en estas áreas.

Ahora, en un artículo publicado en Nature Energy, investigadores de la Universidad de Pensilvania, el Instituto de Tecnología de Illinois y la Universidad de Illinois en Chicago han desarrollado un sistema que puede convertir las emisiones de CO2 en propano (C3H8), un gas más limpio y que consume más energía. fuente densa de combustible.

"La conversión electroquímica de CO2 puede satisfacer las necesidades energéticas futuras al almacenar energía renovable y cerrar el ciclo antropogénico del carbono", dice el coautor Andrew Rappe de la Escuela de Artes y Ciencias de Penn. "Esta investigación allana el camino hacia nuevas soluciones que abordarán los desafíos del almacenamiento de energía y reducirán significativamente los niveles de CO2".

"La fabricación de productos químicos renovables es realmente importante", dice el coautor Mohammad Asadi del Instituto de Tecnología de Illinois. "Es la mejor manera de cerrar el ciclo del carbono sin perder los productos químicos que utilizamos actualmente a diario".

El cobre ha sido tradicionalmente el elemento preferido por los investigadores que investigan formas eficientes de convertir el CO2 en valiosos productos químicos y combustibles, tanto para frenar su impacto ambiental como para proporcionar nuevas soluciones de almacenamiento de energía. Sin embargo, los combustibles producidos han sido compuestos de un solo carbono de baja densidad energética, como el metano.

"Obtener productos multicarbono densos en energía como el C3H8 sigue siendo un desafío debido a los numerosos intermediarios que se forman durante el proceso de conversión química", explica Zhen Jiang, coprimer autor del artículo y ex investigador postdoctoral en The Rappe Group. "Además, la mayoría de las estrategias para aumentar la selectividad de un material por moléculas de múltiples carbonos tienden a ser energéticamente costosas".

Jiang dice que el equipo buscó formas de ir más allá de los catalizadores existentes como el cobre (y su modesta selectividad por productos de múltiples carbonos o su cinética lenta) e investigó formas de agregar líquido iónico (IL) al sistema catalítico. Esto llevó al equipo a considerar el fosfuro de trimolibdeno (Mo3P) como material catalítico.

“Basándonos en nuestras simulaciones teóricas, descubrimos que la capa de IL puede mejorar la adherencia del CO2 y los grupos posteriores durante la reacción en la superficie del catalizador Mo3P, estabilizando así los intermedios en diferentes sitios a lo largo de la superficie para producir C3H8 con una eficiencia incomparable del 91%. ”, dice Jiang.

El equipo también señala que este hallazgo clave condujo a un nuevo paradigma para explorar la relación entre materiales en sistemas electrocatalíticos.

"Convencionalmente, el catalizador de estado sólido y la solución acuosa que une la transferencia de iones a lo largo de la reacción actuaban con menos promoción mutua en la interfaz", dice Jiang. "Pero ahora podemos aplicar un enfoque híbrido mediante técnicas como el recubrimiento IL en catalizadores de estado sólido y reexaminar sistemas previamente probados con nuestra novedosa comprensión del microambiente del catalizador".

De cara al futuro, los investigadores planean aprovechar esta investigación de dos maneras: una, desarrollar un catálogo de líquidos iónicos y su eficacia en catalizadores generadores de combustible y otros sistemas electroquímicos; y dos, investigar nuevos catalizadores para la conversión de CO2 en fuentes de combustible más densas en energía, desde gas combustible hasta petróleo ligero con más átomos de carbono.

Rappe dice: “Extender esta investigación a hidrocarburos de mayor peso podría cerrar el ciclo del carbono mediante la creación de gas natural, propano, gasolina e incluso combustible para aviones directamente a partir del CO2 producido por la combustión anterior del combustible. De esta manera, los mismos átomos de carbono almacenan energía una y otra vez y no los liberamos a la atmósfera”.

Andrew M. Rappe es profesor Blanchard de Química en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias, con un nombramiento secundario en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. También codirige el Programa Integrado Vagelos de Investigación Energética en la Universidad de Pensilvania.

Mohammad Asadi es profesor asistente del Departamento de Ingeniería Química y Biológica del Instituto de Tecnología de Illinois.

Zhen Jiang es un ex investigador postdoctoral en el Grupo Rappe de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (subvenciones CBET-2135173, DMR-1121262, DMR-0959470, EEC-0647560 y DMR-1809439), la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía OPEN2021, SHV Energy, el Centro de Ingeniería y Ciencia a Nanoescala , el Departamento de Energía, (becas DE-SC0019281 y DE-AR0001581), y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (DE-AC02-05CH11231).