El secreto de los combustibles renovables mediante energía solar

Dicen que es mejor haber tenido algo especial y haberlo perdido que no haberlo tenido nunca. ¿Quién habría pensado que ese sentimiento es también cierto para los catalizadores de óxido de metal? Según los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y Caltech, el cobre que una vez estuvo ligado al oxígeno es mejor para convertir el dióxido de carbono en combustibles renovables que el cobre que nunca estuvo ligado al oxígeno.

Para su estudio, publicado en la revista ACS Catalysis, los científicos realizaron una espectroscopia de rayos X en prototipos de generadores de combustible de origen solar ya en funcionamiento para demostrar que los catalizadores hechos de óxido de cobre son superiores a los catalizadores de origen puramente metálico cuando se trata de producir etileno, un gas de dos carbonos con una enorme gama de aplicaciones industriales, incluso después de que no queden átomos de oxígeno detectables en el catalizador.

"Muchos investigadores han demostrado que los catalizadores de cobre derivados del óxido son mejores para hacer productos de combustible a partir de CO2, sin embargo, hay un debate sobre por qué ocurre esto", dijo el co-líder de la investigación Walter Drisdell, químico del Laboratorio de Berkeley y miembro del Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP). La misión del JCAP es desarrollar tecnologías eficientes, alimentadas por energía solar, que puedan convertir el CO2 atmosférico en combustibles alternativos al petróleo. Drisdell y sus colegas dicen que su descubrimiento es un importante avance hacia ese objetivo.

Explicó que bajo las condiciones de operación para la generación de combustible - que implica primero convertir el CO2 en monóxido de carbono y luego construir cadenas de hidrocarburos - el oxígeno ligado al cobre se agota de forma natural en el catalizador. Sin embargo, algunos investigadores creen que permanecen en la estructura metálica pequeñas cantidades de oxígeno, y que esta es la fuente del aumento de la eficiencia.

Estas imágenes de microscopía electrónica de barrido muestran la estructura del catalizador de cobre en diferentes etapas. a) El catalizador antes de ejecutar cualquier reacción. Las estructuras cúbicas de la superficie son el resultado del óxido. b) El aspecto del catalizador después de ejecutar la química de reducción de CO; todo el oxígeno se ha ido. c) El catalizador después de añadir intencionadamente oxígeno de nuevo al metal como una forma de recuperar el rendimiento del catalizador. El óxido de cobre se ha formado en pequeñas nanopartículas en la parte superior de la superficie lisa del metal de cobre. (Foto: Lee et al./ACS Catalysis)

Para resolver el debate, el equipo trajo un sistema de cromatografía de gases (GC) a la línea de haz de rayos X para poder detectar la producción de etileno en tiempo real. "Nuestros colaboradores de Caltech trajeron el GC desde Pasadena y lo instalaron en las instalaciones de rayos X en Palo Alto", dijo Soo Hong Lee, un investigador postdoctoral en el Laboratorio de Berkeley y co-autor del estudio. "Con él, demostramos que no hay correlación entre la cantidad de oxígeno ('óxido') en el catalizador y la cantidad de etileno producida. Así que pensamos que los catalizadores derivados del óxido son buenos, no porque tengan oxígeno remanente mientras reducen el monóxido de carbono, sino porque el proceso de eliminación del oxígeno crea una estructura metálica de cobre que es mejor para formar etileno".

El equipo demostró además que, aunque la eficiencia de los catalizadores derivados del óxido disminuye con el tiempo, puede "reactivarse" regularmente reagrupando y retirando el oxígeno durante un simple proceso de mantenimiento. Su siguiente paso es diseñar una célula generadora de combustible que pueda funcionar con instrumentos de dispersión de rayos X, lo que les permite trazar directamente un mapa de la estructura cambiante del catalizador mientras convierte el monóxido de carbono en etileno.

El equipo de investigación también incluyó a Ian Sullivan y Chengxiang Xiang en Caltech, y a David Larson, Guiji Liu y Francesca Toma en el Laboratorio de Berkeley. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). JCAP es un centro de innovación energética del DOE. (Fuente: NCYT Amazings)