Una nueva técnica abarata y hace más resistente la conversión de CO2 con electricidad renovable

Un equipo internacional de investigadores liderado por la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis ha desarrollado una técnica que permite reducir alrededor de un 25% los costes de conversión del dióxido de carbono (CO2) en productos químicos de valor añadido mediante electricidad renovable, al tiempo que mejora la resistencia de los catalizadores utilizados en el proceso. La nueva técnica evita el deterioro que sufren estos materiales cuando el suministro eléctrico procedente de fuentes renovables, como la energía solar o la hidroeléctrica, se interrumpe de forma recurrente.

El avance permite que los catalizadores funcionen hasta 750 horas sin pérdida de rendimiento, un resultado especialmente relevante para facilitar la integración de procesos industriales de captura y aprovechamiento de carbono con sistemas energéticos basados en fuentes renovables, cuya generación es, por naturaleza, variable e intermitente.

Gran parte del trabajo experimental se llevó a cabo en el laboratorio de Feng Jiao, profesor distinguido Lauren y Lee Fixel del Departamento de Ingeniería Energética, Medioambiental y Química de la Universidad de Washington. La investigación estuvo liderada por Wanyu Deng, antiguo investigador posdoctoral del grupo, y Ahryeon Lee, estudiante de doctorado del mismo laboratorio.

Transformación en compuestos útiles

El objetivo del estudio era encontrar una forma más rentable de transformar el CO2 residual en compuestos útiles, como el acetato, adaptando el funcionamiento de los sistemas electroquímicos a la disponibilidad de electricidad renovable. "El objetivo final es desarrollar un sistema más rentable para producir productos químicos a partir del dióxido de carbono", explicó Jiao, quien también dirige el Center for Carbon Management y es director adjunto del centro de investigación CURB Engineering Research Center, financiado por la National Science Foundation.

Los investigadores diseñaron un sistema capaz de aumentar la producción cuando el precio de la electricidad es bajo y reducirla o pausarla cuando el coste energético aumenta. Sin embargo, comprobaron que apagar completamente el catalizador de forma repetida provocaba un deterioro progresivo de sus componentes, comprometiendo su eficiencia a largo plazo.

Para identificar el origen del problema, los investigadores Yifei Xu y Bingjun Xu, de la Universidad de Pekín, emplearon espectroscopia Raman in situ para analizar la actividad en la superficie del catalizador. Las observaciones revelaron que los sucesivos ciclos de encendido y apagado degradaban los cátodos de cobre. Cuando había monóxido de carbono presente se acumulaba carbonato de cobre sobre la superficie, mientras que en presencia de argón el cobre se oxidaba formando óxido de cobre.

Parada controlada

La solución consistió en sustituir el apagado completo por una estrategia de parada controlada. En lugar de desconectar totalmente el sistema, los investigadores mantuvieron el cátodo de cobre funcionando a un nivel mínimo, inferior al 1% de la densidad de corriente habitual. Ese pequeño flujo eléctrico fue suficiente para impedir tanto la formación de carbonatos como la oxidación del cobre, preservando así la integridad del catalizador durante largos periodos de funcionamiento.

El trabajo también cuenta con la colaboración de William Andrew Goddard III, del Instituto Tecnológico de California (Caltech), quien desarrolla modelos computacionales para comprender con mayor detalle el mecanismo de reacción y los procesos de formación de carbonatos e hidróxidos sobre la superficie del catalizador de cobre.

Según Jiao, el siguiente paso será diseñar sistemas catalíticos todavía más robustos y desarrollar estrategias que puedan integrarse de forma sencilla en procesos industriales de electrólisis de monóxido de carbono. El investigador considera que estos avances serán determinantes para garantizar un funcionamiento fiable con electricidad renovable intermitente y acelerar el despliegue de tecnologías sostenibles destinadas a transformar el CO2 en productos químicos de interés industrial.