Convertir el dióxido de carbono en combustible se vuelve más fácil, gracias a las burbujas ácidas
De izquierda a derecha: Ahmad Elgazzar, estudiante graduado en ingeniería química y biomolecular en Rice; Haotian Wang, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia de materiales y nanoingeniería y química en Rice; Shaoyun Hao, investigación postdoctoral asociada en ingeniería química y biomolecular en Rice. Crédito: Universidad de Rice.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice ha descubierto un método sorprendentemente simple para mejorar enormemente la estabilidad de los dispositivos electroquímicos que convierten el dióxido de carbono en combustibles y productos químicos útiles, y no implica nada más que enviar el CO2 a través de un burbujeador ácido.
Su estudio, publicado en Science, aborda un cuello de botella importante en el rendimiento y la estabilidad de los sistemas de reducción de CO2: la acumulación de sal que obstruye los canales de flujo de gas, reduce la eficiencia y hace que los dispositivos fallen prematuramente.
Utilizando una técnica que llaman CO2 humedecido con ácido, los investigadores extendieron la vida operativa de un sistema de reducción de CO2 más de 50 veces, lo que demuestra más de 4,500 horas de operación estable en un reactor escalado, un hito para el campo.
La reducción electroquímica de CO2, o CO2RR, es una tecnología verde emergente que utiliza electricidad, idealmente desde fuentes renovables, para transformar el CO2 climático en productos valiosos como monóxido de carbono, etileno o alcoholes.
Estos productos pueden refinarse aún más en combustibles o usarse en procesos industriales, lo que puede convertir un contaminante importante en una materia prima.
Sin embargo, la implementación práctica se ha visto obstaculizada por la pobre estabilidad del sistema. Un problema persistente es la acumulación de sales de bicarbonato de potasio en los canales de flujo de gas, que ocurre cuando los iones de potasio migran desde el anolito a través de la membrana de intercambio de aniones a la zona de reacción del cátodo y se combinan con CO2 en condiciones de alta pH.
“La precipitación de sal bloquea el transporte de CO2 e inunda el electrodo de difusión de gas, lo que conduce a la falla del rendimiento”, dijo Haotian Wang, autor correspondiente del estudio y profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia de los materiales y nanoingeniería y química en el arroz.
“Esto generalmente ocurre en unos pocos cientos de horas, lo que está lejos de la viabilidad comercial”.
Para combatir esto, el equipo de arroz probó un giro elegante en un procedimiento estándar. En lugar de usar agua para humidificar la entrada de gas CO2 en el reactor, burbujearon el gas a través de una solución ácida como el ácido clorhídrico, fórmico o acético.
El vapor del ácido se transporta a la cámara de reacción del cátodo en cantidades de trazas, lo suficiente como para alterar la química local. Debido a que las sales formadas con estos ácidos son mucho más solubles que el bicarbonato de potasio, no cristalizan y bloquean los canales.
El efecto fue dramático. En las pruebas que utilizan un catalizador de plata, un punto de referencia común para convertir el CO2 a monóxido de carbono, el sistema funcionó de manera estable durante más de 2,000 horas en un dispositivo a escala de laboratorio y más de 4,500 horas en un electrolizero escalado de 100 centímetros cuadrados.
En contraste, los sistemas que usan CO2 estándar de agua fallaron después de aproximadamente 80 horas debido a la acumulación de sal.
Es importante destacar que el método humidificado ácido demostró ser efectivo en múltiples tipos de catalizador, incluido el óxido de zinc, el óxido de cobre y el óxido de bismuto, todos los cuales se utilizan para dirigirse a diferentes productos CO2RR. Los investigadores también demostraron que el método podría escalarse sin comprometer el rendimiento con dispositivos a gran escala que mantienen la eficiencia energética y evitan el bloqueo de sal durante períodos prolongados.
Observaron una corrosión o daño mínimo a las membranas de intercambio de aniones que típicamente son sensibles al cloruro al mantener bajas las concentraciones de ácido. También se demostró que el enfoque es compatible con membranas y materiales de uso común, lo que refuerza su potencial de integración en los sistemas existentes.
Para observar la formación de sal en tiempo real, el equipo utilizó reactores personalizados con placas de flujo transparentes. Bajo humidificación de agua convencional, los cristales de sal comenzaron a formarse dentro de las 48 horas. Sin embargo, con CO2 humedecido con ácido, no se observó una acumulación de cristal significativa incluso después de cientos de horas, y los depósitos pequeños finalmente se disolvieron y se llevaron a cabo del sistema.
“Usar el método tradicional de CO2 casual de agua podría conducir a la formación de sal en los canales de flujo de gas cátodo”, dijo el co-primero autor Shaoyun Hao, asociado de investigación postdoctoral en ingeniería química y biomolecular en Rice.
“Presumimos, y confirmamos, que el vapor ácido podría disolver la sal y convertir la baja solubilidad KHCO3 en sal con mayor solubilidad, cambiando así el equilibrio de solubilidad lo suficiente como para evitar obstruir sin afectar el rendimiento del catalizador”.
El trabajo abre la puerta a electrolizadores de CO2 más duraderos y escalables, una necesidad crítica si la tecnología se implementará a escalas industriales como parte de las estrategias de captura y utilización de carbono.
La simplicidad del enfoque, que implica solo pequeños ajustes para las configuraciones de humidificación existentes, significa que se puede adoptar sin rediseños significativos o costos adicionales.
“Este es un hallazgo importante para la electrólisis de CO2”, dijo Ahmad Elgazzar, co-primero autor y estudiante graduado en ingeniería química y biomolecular en Rice.
“Nuestro método aborda un obstáculo de larga data con una solución de bajo costo y fácil de implementar. Es un paso para hacer que las tecnologías de utilización de carbono sean más comercialmente viables y más sostenibles”.
Más información: Shaoyun Hao et al, entrada de gas CO2-humidificada con ácido para reacción de reducción de CO2 electroquímica estable, ciencia (2025). Doi: 10.1126/science.adr3834. www.science.org/doi/10.1126/science.adr3834
Proporcionado por la Universidad de Rice
Cita: convertir el dióxido de carbono en combustible se vuelve más fácil, gracias a las burbujas de ácido (2025, 12 de junio) recuperado el 12 de junio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-06-carbon-doxide-fuel-acid.html
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