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(noticias nanowerk) En todo el mundo, la gente está buscando formas de extraer dióxido de carbono del aire o de los gases de escape de las centrales eléctricas y luego hacerlo utilizable. Una de las ideas más prometedoras es convertirlo en un combustible estable que pueda reemplazar a los combustibles fósiles en algunas aplicaciones. Sin embargo, la mayoría de estos procesos de conversión tuvieron problemas con la baja eficiencia de carbono o produjeron combustibles que pueden ser difíciles de manejar, tóxicos o inflamables.
Ahora investigadores del MIT y la Universidad de Harvard han desarrollado un proceso eficiente que puede convertir el dióxido de carbono en formiato, un material líquido o sólido que puede usarse como hidrógeno o metanol para alimentar una celda de combustible y generar electricidad. El formiato de potasio o sodio, ya producido a escala industrial y comúnmente utilizado como agente descongelador de carreteras y aceras, no es tóxico ni inflamable, es fácil de almacenar y transportar y puede permanecer estable en tanques de acero comunes y utilizarse. durante meses o incluso años, después de su fabricación.
Las tesis centrales
Investigación
El nuevo método, desarrollado por los estudiantes graduados del MIT Zhen Zhang, Zhichu Ren y Alexander H. Quinn, el estudiante graduado de Harvard Dawei Xi y el profesor del MIT Ju Li, se describe en la revista esta semana. Ciencias físicas de la prensa celular. (“Un electrolizador de bicarbonato eficiente en carbono”).
Todo el proceso, incluida la captura y conversión electroquímica del gas en un polvo de formiato sólido que luego se utiliza en una pila de combustible para generar electricidad, se ha demostrado a pequeña escala de laboratorio. Sin embargo, los investigadores esperan que sea escalable, lo que le permitirá proporcionar calor y energía sin emisiones a hogares individuales e incluso usarse en aplicaciones industriales o a escala de red.
Otros enfoques para convertir dióxido de carbono en combustible, explica Li, normalmente implican un proceso de dos pasos: primero, el gas se captura químicamente y se convierte en una forma sólida como carbonato de calcio, luego este material se calienta para expulsar el dióxido de carbono y convertirlo en una materia prima combustible como el monóxido de carbono. Este segundo paso tiene una eficiencia muy baja y normalmente convierte menos del 20 por ciento del dióxido de carbono gaseoso en el producto deseado, dice Li.
Por el contrario, el nuevo proceso logra una conversión de más del 90 por ciento y elimina el paso de calentamiento ineficiente al convertir primero el dióxido de carbono en una forma intermedia, bicarbonato metálico líquido. Este líquido luego se utiliza en un electrolizador que utiliza electricidad con bajas emisiones de carbono, p. B. energía nuclear, eólica o solar, convertida electroquímicamente en formiato líquido de potasio o sodio. La solución líquida altamente concentrada de formiato de sodio o potasio producida puede secarse, por ejemplo, mediante evaporación solar, para producir un polvo sólido que es extremadamente estable y puede almacenarse en tanques de acero comunes durante años o incluso décadas, dice Li.
Varios pasos de optimización desarrollados por el equipo marcaron la diferencia al convertir un proceso de conversión química ineficiente en una solución práctica, dice Li, quien ocupa cargos conjuntos en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales.
El proceso de captura y conversión de carbono implica inicialmente una captura basada en una solución alcalina que concentra dióxido de carbono en forma de una solución líquida de bicarbonato metálico, ya sea de corrientes concentradas como las emisiones de plantas de energía o de fuentes de muy baja concentración, incluso al aire libre. Luego, este bicarbonato se convierte electroquímicamente en cristales de formiato sólidos con una eficiencia de carbono de más del 96 por ciento utilizando un electrolizador de membrana de intercambio catiónico, como lo confirman los experimentos a escala de laboratorio del equipo.
Estos cristales tienen una vida útil indefinida y permanecen tan estables que podrían almacenarse durante años o incluso décadas con poca o ninguna pérdida. En comparación, incluso los tanques de almacenamiento de hidrógeno más prácticos disponibles pierden el gas a una tasa de alrededor del 1 por ciento por día, lo que excluye cualquier uso que requiera años de almacenamiento, dice Li. El metanol, otra alternativa ampliamente investigada para convertir el dióxido de carbono en combustible que se puede utilizar en pilas de combustible, es una sustancia tóxica que no se puede adaptar fácilmente para su uso en situaciones en las que las fugas podrían suponer un riesgo para la salud. El formiato, por otro lado, se usa comúnmente y se considera inofensivo según las normas de seguridad nacionales.
Varias mejoras contribuyen a mejorar significativamente la eficiencia de este proceso. En primer lugar, el diseño cuidadoso de los materiales de la membrana y su configuración supera un problema encontrado en intentos anteriores con un sistema de este tipo, en el que la acumulación de ciertos subproductos químicos altera el pH, lo que hace que el sistema pierda eficiencia con el tiempo. «Tradicionalmente, es difícil lograr una conversión de materias primas estable, continua y a largo plazo», dice Zhang. «La clave de nuestro sistema es lograr un equilibrio de pH para una conversión estable».
Para lograr esto, los investigadores realizaron modelos termodinámicos para diseñar el nuevo proceso de modo que esté químicamente equilibrado y el pH permanezca en un estado estable sin cambiar la acidez con el tiempo. Por lo tanto, puede seguir funcionando de manera eficiente durante largos períodos de tiempo. En sus pruebas, el sistema funcionó durante más de 200 horas sin ninguna caída significativa en el rendimiento. Todo el proceso se puede llevar a cabo a temperatura ambiente y presiones relativamente bajas (unas cinco veces la presión atmosférica).
Otro problema fue que las reacciones secundarias indeseables produjeron otros productos químicos que no eran útiles. Sin embargo, el equipo encontró una manera de prevenir estas reacciones secundarias introduciendo una «capa amortiguadora» adicional de lana de fibra de vidrio enriquecida con bicarbonato que bloqueaba estas reacciones.
El equipo también construyó una pila de combustible optimizada específicamente para utilizar este formato de combustible para generar electricidad. Las partículas de formiato almacenadas simplemente se disuelven en agua y se bombean a la pila de combustible según sea necesario. Aunque el combustible sólido es mucho más pesado que el hidrógeno puro, cuando se tiene en cuenta el peso y el volumen de los tanques de gas a alta presión necesarios para almacenar hidrógeno, el resultado final es una producción de electricidad que es casi la misma para un volumen de almacenamiento determinado, dice Li.
Según los investigadores, el combustible de formato puede adaptarse potencialmente para todo, desde unidades de tamaño doméstico hasta aplicaciones industriales a gran escala o sistemas de almacenamiento a escala de red. Las aplicaciones domésticas iniciales podrían incluir una unidad de electrólisis del tamaño de un refrigerador para capturar el dióxido de carbono y convertirlo en formato, que podría almacenarse en un tanque subterráneo o en la azotea. Si es necesario, el sólido en polvo se mezcla con agua y se introduce en una pila de combustible para proporcionar electricidad y calor. «Esto está pensado para manifestaciones comunitarias o domésticas», afirma Zhang, «pero creemos que también podría ser beneficioso para las fábricas o la red eléctrica en el futuro».
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