Factible, convertir dióxido de carbono en hidrocarburos

Antes de que el petróleo se acabe, con la electrocatálisis para la reducción del dióxido de carbono podría obtenerse hidrocarburos y, al mismo tiempo, disminuir la emisión de este compuesto a la atmósfera de metrópolis como Ciudad de México.

“La reacción de reducción electroquímica del dióxido de carbono (RRCO₂) es un proceso catalítico que, acoplado a fuentes de energías renovables, promete disminuir las emisiones de este gas contaminante y aprovechar mejor la energía solar y la eólica para obtener combustibles y compuestos de carbono útiles en la industria química”, destacó Ana Sofía Varela Gasque, investigadora del Instituto de Química y ganadora de una de las becas para Mujeres en la Ciencia L´Oréal-Unesco-Academia Mexicana de Ciencias 2017.

Como parte de su doctorado y posdoctorado, Varela Gasque participó con grupos de investigación de Dinamarca y Alemania en la modificación de catalizadores de cobre y de las condiciones de la RRCO₂, con el propósito de convertir el dióxido de carbono en productos útiles como el etileno.

Con el equipo alemán modificó la superficie de catalizadores de cobre y logró 60 por ciento de selectividad en la obtención de etileno, la más alta reportada por este método.

“El etileno, el compuesto orgánico más utilizado en el mundo, tiene un valor comercial alto. Más de 60 por ciento de su producción se usa en la industria química. Es un precursor del polietileno, uno de los polímeros o plásticos más comunes con que se fabrican vasos y bolsas, entre otros productos. Normalmente se obtiene del petróleo, pero elaborarlo a partir del dióxido de carbono sería una opción mucho más amigable con el ambiente”, explicó la especialista.

Proceso electrocatalítico

Con las reacciones de reducción-oxidación electroquímica entre un grupo de elementos químicos puede liberarse energía para generar electricidad o producir con ella combustibles o compuestos orgánicos.

“Así ocurre, de manera simplificada, en las pilas de combustible: la reacción del hidrógeno con el oxígeno, ayudada por catalizadores de platino, genera agua y electricidad. Por lo contrario, si simplemente se quemara el hidrógeno en presencia de oxígeno, se producirían calor y agua. El proceso inverso al de las pilas de combustible es el que se efectúa en los electrolizadores: mediante una diferencia de potencial se facilita la descomposición química del agua y se obtiene oxígeno y el combustible para las pilas: hidrógeno”, agregó Varela Gasque.

La viabilidad de este proceso electrocatalítico es tal que empresas automotrices japonesas ya desarrollaron prototipos eléctricos que funcionan con pilas de hidrógeno, como el Mirai, de Toyota. Incluso en ciudades de Europa, ciertos vehículos de transporte y edificios funcionan con pilas de combustible.

Aunque estas pilas resultan eficientes, los materiales que se usan normalmente como catalizadores (oro y platino, por mencionar algunos) son escasos y costosos. De ahí que sea caro mover un carro eléctrico. Si bien con el empleo de catalizadores de platino se logró bajar el costo de producción de electricidad de 140 a 30 dólares por kilovatio, el precio ya se estancó. Por eso ahora se buscan materiales opcionales para hacer competitivo este proceso electrocatalítico.

“Además, debe facilitarse la disponibilidad del hidrógeno, un gas ligero que ocupa mucho volumen. Para que no escape hay que contenerlo en tanques muy pesados. Esto dificulta su transporte y almacenaje”, apuntó la universitaria.

Catalizadores

Una reacción opcional a la producción de hidrógeno es la reducción del CO₂ a hidrocarburos. Sin embargo, a los catalizadores de cobre, que en Alemania se prueban experimentalmente para obtener etileno, les falta ser más selectivos (obtener un material específico y no una mezcla de compuestos), eficientes y baratos (aunque más accesibles que los de platino, siguen siendo caros).

Otros grupos de investigación en el mundo han demostrado que carbonos dopados con nitrógeno y metales de transición tienen buen desempeño catalítico y podrían ser una alternativa de bajo costo para la conversión del dióxido de carbono en monóxido de carbono, el cual se usaría en la industria química.

Como aún se desconocen los parámetros que controlan la actividad y la selectividad en la RRCO₂, Varela Gasque trata de optimizar ésta en el nuevo Laboratorio de Catálisis Heterogénea del Instituto de Química.

Su objetivo es saber qué papel desempeñan en ella los diferentes grupos funcionales de los metales de transición y cómo la modificación de las condiciones de reacción (el electrolito de trabajo y la temperatura) afectan la eficiencia catalítica.

La experta también busca crear nuevos catalizadores, más selectivos, eficientes y de bajo costo.

Para Varela Gasque sería ideal formar metano a partir de la RRCO2, porque a diferencia del hidrógeno, el también llamado gas de pantano puede transportarse fácilmente y en las casas ya se tiene la infraestructura para utilizarlo.

Energías renovables

Actualmente, Varela Gasque hace distintas síntesis: a carbono poroso le agrega diferentes cantidades de nitrógeno y sales de hierro. Mete la mezcla en un horno de altas temperaturas (variable cuyo efecto también estudiará) para que se forme el material.

Luego probará su actividad catalítica en una celda de tres electrodos. El objetivo es entender cómo la estructura del material afecta la actividad catalítica y la selectividad (qué material y qué tanto se obtiene de la reducción del dióxido de carbono). Y mientras ella trata de sintetizar un material catalítico para hacer más eficiente la electrólisis del dióxido de carbono, Juan Carlos Piña, alumno de Ingeniería Mecánica en la Facultad de Estudios Superiores Aragón, trabaja, bajo su dirección, en el diseño teórico de un electrolizador. Ya se comercializa este tipo de dispositivos, pero no están pensados para la RRCO₂.

Ante el inminente agotamiento del petróleo, y aunque la RRCO₂ a hidrocarburos u otros compuestos orgánicos aún está en fase de ciencia básica, Varela Gasque imagina su posible aplicación. “Una vez creado un prototipo de electrolizador pensado para acoplarse en ciertas industrias, como la cementera, podría operarse éste junto a una fábrica que emita, en grandes cantidades, ese gas contaminante. In situ se capturaría, se haría reaccionar con voltaje proveniente de una fuente renovable y se reduciría a un producto útil como etileno o metano”.

Reutilizar el dióxido de carbono es una manera de mitigar su emisión, de cerrar su ciclo, en lugar de seguir aumentando la concentración de este gas que contamina la atmósfera de las ciudades. Por eso, la investigadora propone alejarnos de la tecnología del petróleo (el mexicano viene con muchas impurezas y se acabará) e invertir en la ciencia de las energías renovables, que se usará dentro de 20 años.

“Aquí, el petróleo es un mito. Los países realmente ricos están en Medio Oriente. Incluso Estados Unidos tiene más que nosotros, que contamos con luz solar y viento, que no se terminarán. Para ser competitivos hay que invertir en estas energías renovables, como los europeos”, concluyó.