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Mientras el mundo lucha por reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los investigadores buscan formas prácticas y económicas de capturar el dióxido de carbono y convertirlo en productos útiles, como combustibles para el transporte, materias primas químicas o incluso materiales de construcción. Pero hasta ahora, esos intentos han tenido dificultades para alcanzar la viabilidad económica.

Una nueva investigación realizada por ingenieros del MIT podría conducir a mejoras rápidas en una variedad de sistemas electroquímicos que se encuentran en desarrollo para convertir el dióxido de carbono en un producto valioso. El equipo desarrolló un nuevo diseño para los electrodos utilizados en estos sistemas, que aumenta la eficiencia del proceso de conversión.

Los hallazgos se publican hoy en la revista Nature Communications , en un artículo del estudiante de doctorado del MIT Simon Rufer, el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi y otros tres.

“El problema del CO₂ es un gran desafío para nuestra época y estamos utilizando todo tipo de herramientas para resolverlo y abordarlo”, dice Varanasi. Será esencial encontrar formas prácticas de eliminar el gas, dice, ya sea de fuentes como las emisiones de las centrales eléctricas o directamente del aire o los océanos. Pero una vez que se haya eliminado el CO2, tiene que ir a alguna parte.

Varanasi afirma que se han desarrollado una amplia variedad de sistemas para convertir ese gas capturado en un producto químico útil. “No es que no podamos hacerlo, podemos hacerlo. Pero la pregunta es ¿cómo podemos lograr que sea eficiente? ¿Cómo podemos lograr que sea rentable?”

En el nuevo estudio, el equipo se centró en la conversión electroquímica del CO2 en etileno, una sustancia química muy utilizada que puede utilizarse para fabricar diversos plásticos y combustibles, y que hoy en día se fabrica a partir del petróleo. Pero el método que desarrollaron también podría aplicarse a la producción de otros productos químicos de alto valor, como el metano, el metanol, el monóxido de carbono y otros, afirman los investigadores.

En la actualidad, el etileno se vende a unos 1.000 dólares la tonelada, por lo que el objetivo es poder igualar o superar ese precio. El proceso electroquímico que convierte el CO2 en etileno implica una solución a base de agua y un material catalizador, que entran en contacto junto con una corriente eléctrica en un dispositivo llamado electrodo de difusión de gas.

Hay dos características competitivas de los materiales de los electrodos de difusión de gas que afectan su desempeño: deben ser buenos conductores eléctricos para que la corriente que impulsa el proceso no se desperdicie a través del calentamiento por resistencia, pero también deben ser "hidrofóbicos" o repelentes al agua, para que la solución de electrolito a base de agua no se filtre e interfiera con las reacciones que tienen lugar en la superficie del electrodo.

Lamentablemente, es un compromiso: mejorar la conductividad reduce la hidrofobicidad, y viceversa. Varanasi y su equipo se propusieron ver si podían encontrar una manera de evitar ese conflicto y, después de muchos meses de trabajo, lo lograron.

La solución, ideada por Rufer y Varanasi, es elegante en su simplicidad. Utilizaron un material plástico, PTFE (esencialmente teflón), que se sabe que tiene buenas propiedades hidrofóbicas. Sin embargo, la falta de conductividad del PTFE significa que los electrones deben viajar a través de una capa catalizadora muy delgada, lo que produce una caída significativa de voltaje con la distancia. Para superar esta limitación, los investigadores tejieron una serie de cables de cobre conductores a través de la lámina muy delgada del PTFE.

“Este trabajo realmente abordó este desafío, ya que ahora podemos obtener tanto conductividad como hidrofobicidad”, dice Varanasi.

Las investigaciones sobre posibles sistemas de conversión de carbono suelen realizarse en muestras muy pequeñas, a escala de laboratorio, normalmente de menos de 2,5 centímetros cuadrados. Para demostrar el potencial de ampliación, el equipo de Varanasi produjo una lámina de un área diez veces mayor y demostró su rendimiento eficaz.

Para llegar a ese punto, tuvieron que hacer algunas pruebas básicas que aparentemente nunca se habían hecho antes: se realizaron pruebas en condiciones idénticas pero se usaron electrodos de diferentes tamaños para analizar la relación entre la conductividad y el tamaño de los electrodos. Descubrieron que la conductividad disminuía drásticamente con el tamaño, lo que significaría que se necesitaría mucha más energía (y, por lo tanto, más dinero) para impulsar la reacción.

"Eso es exactamente lo que esperábamos, pero era algo que nadie había investigado con dedicación antes", dice Rufer. Además, los tamaños más grandes produjeron más subproductos químicos no deseados además del etileno previsto.

Según los investigadores, las aplicaciones industriales del mundo real requerirían electrodos que fueran quizás 100 veces más grandes que las versiones de laboratorio, por lo que será necesario agregar los cables conductores para que estos sistemas sean prácticos. También desarrollaron un modelo que captura la variabilidad espacial en la distribución del voltaje y del producto en los electrodos debido a las pérdidas óhmicas. El modelo, junto con los datos experimentales que recopilaron, les permitió calcular el espaciado óptimo para los cables conductores para contrarrestar la caída de la conductividad.

En efecto, al tejer el alambre a través del material, este se divide en subsecciones más pequeñas determinadas por el espaciado de los alambres. “Lo dividimos en un montón de pequeños subsegmentos, cada uno de los cuales es efectivamente un electrodo más pequeño”, dice Rufer. “Y como hemos visto, los electrodos pequeños pueden funcionar muy bien”.

Debido a que el cable de cobre es mucho más conductor que el material PTFE, actúa como una especie de superautopista para el paso de los electrones, uniendo las áreas donde están confinados al sustrato y enfrentan una mayor resistencia.

Para demostrar que su sistema es robusto, los investigadores utilizaron un electrodo de prueba durante 75 horas de forma continua, sin apenas cambios en el rendimiento. En general, dice Rufer, su sistema “es el primer electrodo basado en PTFE que ha superado la escala de laboratorio en el orden de los 5 centímetros o menos. Es el primer trabajo que ha avanzado a una escala mucho mayor y lo ha hecho sin sacrificar la eficiencia”.

El proceso de tejido para incorporar el alambre se puede integrar fácilmente en los procesos de fabricación existentes, incluso en un proceso rollo a rollo a gran escala, añade.

“Nuestro método es muy eficaz porque no tiene nada que ver con el catalizador que se utiliza”, afirma Rufer. “Se puede coser este cable de cobre micrométrico en cualquier electrodo de difusión de gas que se desee, independientemente de la morfología o la química del catalizador. Por lo tanto, este método se puede utilizar para escalar el electrodo de cualquier persona”.

“Dado que necesitaremos procesar gigatoneladas de CO2 al año para combatir el problema del CO2, realmente necesitamos pensar en soluciones que puedan escalarse”, dice Varanasi. “Comenzar con esta mentalidad nos permite identificar cuellos de botella críticos y desarrollar enfoques innovadores que pueden tener un impacto significativo en la solución del problema. Nuestro electrodo conductor jerárquico es el resultado de ese pensamiento”.

El equipo de investigación estuvo integrado por los estudiantes de posgrado del MIT Michael Nitzsche y Sanjay Garimella, así como por el doctor Jack Lake, doctorando en 2023. El trabajo recibió el apoyo de Shell, a través de la Iniciativa Energética del MIT.

Este trabajo se llevó a cabo, en parte, mediante el uso de las instalaciones de MIT.nano.

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