Captura comercialmente viable de dióxido de carbono en humo de chimeneas

Un catalizador de reciente diseño convierte eficazmente el dióxido de carbono capturado en productos valiosos, incluso en presencia de un agente contaminante habitual que degrada el rendimiento de catalizadores de uso común.

El descubrimiento es un paso importante hacia técnicas de captura y almacenamiento de carbono más favorables económicamente, que podrían añadirse a procesos industriales ya existentes.

Este avance es obra de un equipo integrado, entre otros, por Panos (Panagiotis) Papangelakis, Rui Kai (Ray) Miao y David Sinton, los tres de la Universidad de Toronto en Canadá.

Hoy tenemos más y mejores opciones que nunca antes para generar electricidad con bajas emisiones de carbono. Pero hay otros sectores de la economía que serán más difíciles de descarbonizar: por ejemplo, la fabricación de acero y cemento. Para ayudar a esas industrias, se necesitan formas rentables de capturar el carbono de sus flujos de residuos.

El sistema ideado por Papangelakis, Miao, Sinton y sus colegas utiliza dispositivos conocidos como electrolizadores para generar compuestos como etileno y etanol a partir der dióxido de carbono (CO2) y electricidad. Estas sustancias basadas en el carbono pueden venderse como combustibles o utilizarse como materias primas para fabricar artículos cotidianos.

En el interior del electrolizador, la reacción de conversión se produce cuando tres componentes (gas CO2, electrones y un electrolito líquido a base de agua) se unen en la superficie de un catalizador sólido.

El catalizador suele ser de cobre, pero también puede contener otros metales o compuestos orgánicos que pueden mejorar aún más el sistema. Su función es acelerar la reacción y minimizar la creación de productos secundarios indeseables, como el gas hidrógeno, que reducen la eficacia del proceso global.

Aunque muchos equipos de investigación en diversas partes del mundo han producido catalizadores de alto rendimiento, casi todos están diseñados para funcionar con una alimentación de CO2 puro. Pero si el dióxido de carbono en cuestión procede directamente de chimeneas, lo más seguro es que de puro no tenga nada.

Rui Kai (Ray) Miao, a la izquierda, junto con Panos Papangelakis, que sujeta el nuevo catalizador diseñado por ellos y sus colegas. (Foto: Tyler Irving / University of Toronto Engineering)

Los óxidos de azufre, como el dióxido de azufre (SO2), afectan negativamente al catalizador (lo "envenenan") al adherirse a la superficie. Esto deja menos sitios para que reaccione el CO2, y también provoca la formación de sustancias químicas indeseadas. Ocurre realmente rápido: mientras que algunos catalizadores pueden funcionar bien durante cientos de horas con un suministro de CO2 puro, si se introducen estas impurezas, en cuestión de minutos pueden bajar al 5% de eficiencia.

Aunque existen métodos bien establecidos para eliminar las impurezas de los gases de escape ricos en CO2 antes de introducirlos en el electrolizador, llevan tiempo, requieren consumir bastante energía y elevan el coste de la captura y reciclaje del carbono. Además, en el caso del dióxido de azufre, incluso una cantidad ínfima puede ser un gran problema. Una cantidad de no más de 10 partes por millón puede hacerle perder toda su eficacia al catalizador en no más de dos horas.

El equipo de Papangelakis, Miao y Sinton ha diseñado un catalizador más resistente, que puede seguir haciendo su trabajo en presencia de dióxido de azufre. La clave ha sido efectuar dos cambios fundamentales a un catalizador típico, basado en el cobre.

Por un lado, los investigadores añadieron una delgada capa de politetrafluoroetileno, también conocido como teflón. Este material antiadherente cambia la química en la superficie del catalizador, impidiendo las reacciones que permiten el envenenamiento por dióxido de azufre.

Por otro lado, añadieron una capa de Nafion, un polímero conductor de la electricidad que suele utilizarse en células de combustible. Este material complejo y poroso contiene algunas zonas que son hidrófilas, es decir, que atraen el agua, y otras que son hidrófobas, es decir, que la repelen. Esta estructura dificulta el acceso del dióxido de azufre a la superficie del catalizador.

A continuación, el equipo alimentó este catalizador con una mezcla de dióxido de carbono y dióxido de azufre, este último a una concentración de unas 400 partes por millón, típica de un flujo de residuos industriales. Incluso en estas duras condiciones, el nuevo catalizador funcionó bien.

Su eficiencia como catalizador (eficiencia de Faraday) fue del 50%, y se mantuvo en ese valor durante 150 horas. Algunos catalizadores empiezan con una eficiencia bastante mayor, del 75% o el 80%, pero si son expuestos al dióxido de azufre, su eficiencia desciende hasta casi cero en un periodo de entre unos minutos y un par de horas.

El equipo de Papangelakis, Miao y Sinton expone los detalles técnicos de su nuevo catalizador en la revista académica Nature Energy, bajo el título “Improving the SO2 tolerance of CO2 reduction electrocatalysts using a polymer / catalyst / ionomer heterojunction design”. (Fuente: NCYT de Amazings)