viernes, 11 de marzo de 2016

Mensajes amables de fin de semana: el combustible limpio está ahi, sale del CO2 que expulsamos a la atmósfera. Detalles adicionales


Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:


Como continuación del escrito de la semana pasada adjunto los siguientes detalles:

Extracto del escrito aparecido en Nature, con fecha del 7 de Enero de 2016
Electroreduction of CO2 into useful fuels, especially if driven by renewable energy, represents a potentially ‘clean’ strategy for replacing fossil feedstocks and dealing with increasing CO2emissions and their adverse effects on climate1234. The critical bottleneck lies in activating CO2into the CO2•− radical anion or other intermediates that can be converted further, as the activation usually requires impractically high overpotentials. Recently, electrocatalysts based on oxide-derived metal nanostructures have been shown5678 to enable CO2 reduction at low overpotentials. However, it remains unclear how the electrocatalytic activity of these metals is influenced by their native oxides, mainly because microstructural features such as interfaces and defects9 influence CO2 reduction activity yet are difficult to control. To evaluate the role of the two different catalytic sites, here we fabricate two kinds of four-atom-thick layers: pure cobalt metal, and co-existing domains of cobalt metal and cobalt oxide. Cobalt mainly produces formate (HCOO) during CO2electroreduction; we find that surface cobalt atoms of the atomically thin layers have higher intrinsic activity and selectivity towards formate production, at lower overpotentials, than do surface cobalt atoms on bulk samples. Partial oxidation of the atomic layers further increases their intrinsic activity, allowing us to realize stable current densities of about 10 milliamperes per square centimetre over 40 hours, with approximately 90 per cent formate selectivity at an overpotential of only 0.24 volts, which outperforms previously reported metal or metal oxide electrodes evaluated under comparable conditions126710. The correct morphology and oxidation state can thus transform a material from one considered nearly non-catalytic for the CO2 electroreduction reaction into an active catalyst. These findings point to new opportunities for manipulating and improving the CO2 electroreduction properties of metal systems, especially once the influence of both the atomic-scale structure and the presence of oxide are mechanistically better understood.

Un bonito resumen, en español
Desarrollan método efectivo para transformar contaminación en combustible

Recientemente, el Laboratorio Nacional de Ciencias Físicas de Heifei en China, publicó un documento en el diario científico Nature en donde se revela el desarrollo de un nuevo material que transforma el dióxido de carbono en un combustible limpio llamadoformiato.
El proceso utilizado por el equipo de investigadores es llamado reducción electrónica o electroreducción y tan sólo requiere una pequeña cantidad de corriente eléctrica para transformar el CO2 en formiato. El nuevo material tiene un ancho de 4 átomos y está compuesto de cobalto, metal y óxido de cobalto.
Las implicaciones de esta nueva tecnología son enormes, pues por el momento el CO2 simplemente se deshecha sin conciencia alguna, lo que -en exceso- contamina nuestro medio ambiente. Al reciclar este componente, y no sólo para crear un material común sino combustible, las empresas podrían utilizar los desechos de sus fábricas para generar energía y así reducir costos de producción, lo que por supuesto es un incentivo suficiente como para implementar esta tecnología.
Karthish Manthiram, ingeniero químico del Instituto Tecnológico de California comenta: “Esto representa un avance científico fundamental. Ciertamente será un proceso de años antes de que esto se convierta en un dispositivo comercial exitoso. Pero en esta etapa de desarrollo, por toda métrica concebible, esta reacción se ve muy positiva.”
De acuerdo con Manthiram, los científicos que han trabajado con materiales que catalizan eléctricamente al CO2 para crear combustible siempre se encuentran con el mismo problema, algo conocido como sobrepotencial, que podría explicarse como el desperdicio de energía. “Básicamente uno busca mantener la energía desperdiciada a un mínimo,” comenta Manthiram “Pero cuando uno disminuye el sobrepotencial, encuentra que el rango de conversión de Co2 a Formiato se vuelve más y más lento.” A diferencia de los materiales pasados, este nuevo descubrimiento puede disminuir el sobrepotencial sin sacrificar la producción de combustible,
Para entender el proceso, el sitio Popular Mechanics lo explica de la siguiente manera “Cuando este material se pulsa con corriente eléctrica interactúa con las moléculas de CO2 que pasan por él. Básicamente, un átomo de hidrógeno (que tiene un electrón y un protón) se adhiere al átomo de carbono de la molécula del CO2. Cuando esto pasa, un electrón extra pasa a uno de los átomos en el dióxido de carbono. Con esto, el CO2 se convierte en CHOO, o formiato.”


Precedentes


Fijar y atrapar CO2 para darle un uso industrial es una de las líneas estratégicas de investigación actuales. Unos investigadores del CSIC han liderado el desarrollo de un catalizador que permite transformar el CO2 en derivados del ácido fórmico.


El CO2 es un producto barato y abundante, que está presente en el entorno natural, y que puede usarse para obtener otros productos de interés industrial. Uno de los procesos que más se ha estudiado es la hidrogenación de CO2para obtener ácido fórmico. El ácido fórmico tiene aplicaciones en la industria química, en la agricultura, en la  tecnología de alimentos y en la fabricación de productos de cuero. Sin embargo, el proceso de hidrogenación de CO2nunca se ha implementado a nivel industrial por problemas técnicos de difícil resolución.
Ahora, una investigación dirigida por los científicos del CSIC Francisco Fernández-Álvarez  y Luis Oro, ha conseguido lo que podría ser una vía alternativa. Ambos, del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea, centro mixto del CSIC y de la Universidad de Zaragoza, han liderado el desarrollo de un catalizador que permite transformar dióxido de carbono (CO2) en sililformiatos, unos derivados del ácido fórmico que contienen silicio.
Para obtener polímeros de siliconas
Los sililforniatos pueden ser usados para la producción de polímeros de siliconas y como materia prima en síntesis orgánica. También podrían ser utilizados para obtener, a partir de ellos, ácido fórmico.
La ventaja del proceso es que se realiza en condiciones muy suaves, a temperatura ambiente y presión atmosférica muy suave, “como máximo, de tres atmosferas”, puntualiza Luis Oro. El proceso es muy selectivo, no requiere disolventes y no origina residuos. El nuevo catalizador está basado en un complejo de iridio estable al aire.
Según el investigador del CSIC Francisco Fernández-Álvarez, del mismo instituto zaragozano, “esta investigación puede suponer un avance importante para la transformación de CO2 en productos de interés industrial”.
Tal como explica  Luis Oro, “estamos trabajando en laboratorio a escala de gramos, pero confiamos en que el proceso será escalable a nivel industrial”. Se trata de un paso prometedor para conseguir fijar y transformación a escala industrial CO2. Aunque, puntualiza Oro, “no es la solución para el cambio climático, ya que estamos hablando de escalas muy diferentes: la cantidad que podemos transformar es mucho menor que la que se libera con la quema de combustibles. Pero sí podría ser una pequeña contribución”.
La investigación, cuyos resultados se han publicado han sido publicados en la revista Angewandte Chemie, ha contado con financiación del Ministerio de Economía y Competitividad, de fondos FEDER de la Unión Europea, y del Gobierno de Aragón.

Descubren cómo convertir CO2 en metano utilizable:



Un grupo de especialistas del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, ha realizado un importante avance en el campo energético y ecológico, al desarrollar una nueva técnica para convertir el dióxido de carbono en metano, reduciendo de esta manera las emisiones de CO2 y obteniendo a su vez una nueva fuente para la producción de combustible. El avance se ha logrado empleando nanopartículas de cobre y oro, en el marco de un proceso que gana en eficiencia con respecto a otras técnicas, al requerir menores cantidades de energía.

El cobre es uno de los pocos metales que pueden convertir el dióxido de carbono en hidrocarburos utilizados para el desarrollo de combustibles, empleando para ello dosis relativamente pequeñas de energía. Estimulado por una tensión eléctrica y frente a determinadas condiciones, el cobre actúa como un catalizador sólido, provocando una reacción electroquímica en el dióxido de carbono que transforma a este gas de efecto invernadero en metano o metanol.

Investigadores de todo el mundo han estudiado el potencial del cobre como una herramienta para el reciclaje de las emisiones de dióxido de carbono en centrales eléctricas con eficiencia energética. En lugar de ser liberado a la atmósfera, el dióxido de carbono convertido en metano podría alimentar energéticamente a estas plantas, reduciendo enormemente las emisiones de gases de efecto invernadero de las plantas eléctricas a carbón y gas natural.

El avance de los ingenieros y especialistas del MIT en torno a este tema se ha difundido mediante una nota de prensa del Massachusetts Institute of Technology, y también ha sido desarrollado en una nota publicada en el medio especializado Science Daily. La técnica logra reducir aún más la energía necesaria para que el cobre pueda convertir el dióxido de carbono en metano.

Uno de los desafíos a superar por los expertos del MIT es un grupo de condiciones negativas que posee el cobre para el desarrollo de este proceso. Por ejemplo, el cobre se oxida fácilmente, provocando una inestabilidad que puede retardar significativamente su impacto sobre el dióxido de carbono y producir subproductos no deseados en la conversión, tales como monóxido de carbono y ácido fórmico.

Sin embargo, además de reducir las necesidades de energía en el marco del proceso, la nueva técnica que hace uso de nanopartículas con una hibridación de cobre y oro logra incrementar la estabilidad del metal. El ingrediente que cambia las condiciones es el oro, que es resistente a la corrosión y oxidación.

Los investigadores observaron que sólo un pequeño porcentaje de oro permite que el cobre se vuelva mucho más estable. Asimismo, en los experimentos se comprobó que los electrodos revestidos con nanopartículas híbridas cobre-oro requieren mucha menos energía para la conversión del dióxido de carbono, en comparación con el uso de nanopartículas de cobre puro.

Según los especialistas a cargo de la investigación, los resultados del estudio apuntan a un escenario en el que la reducción de las emisiones de dióxido de carbono y la generación eficiente de energía sean una realidad cotidiana en las centrales eléctricas, pudiendo apostar incluso a su autoabastecimiento energético gracias al reciclado del CO2.


Efectividad comprobada

Kimberly Hamad-Schifferli, profesora asociada de ingeniería mecánica e ingeniería biológica en el MIT, es una de las responsables del estudio. Destacó que las nanopartículas de cobre y oro han demostrado ser mucho más estables y tener el potencial para reducir la energía que se necesita para la reacción.

El equipo de ingenieros e investigadores eligió al oro como el metal adecuado para combinar con el cobre principalmente a causa de sus propiedades ya conocidas, sobretodo porque impide la oxidación. Aunque el uso del oro puede significar un condicionante económico en un principio, el ahorro de energía y el potencial de conversión de CO2 en combustible pueden equilibrar los costes iniciales.

Hamad-Schifferli explicó que el oro es lógicamente más oneroso que el cobre, pero si el mismo ayuda a obtener un producto como el metano al reciclar el dióxido de carbono, y al mismo tiempo garantiza un menor consumo de energía durante el proceso de conversión, su uso puede valer la pena y transformarse en eficiente desde el punto de vista económico.

En el futuro, Hamad-Schifferli y su equipo estudiarán con mayor detalle la estructura de las nanopartículas de oro y cobre, con el propósito de encontrar una configuración óptima para la conversión del dióxido de carbono. Hasta ahora, el equipo ha demostrado la eficacia de las nanopartículas híbridas compuestas de un tercio de oro y dos tercios de cobre, así como también de aquellas integradas por dos tercios de oro y un tercio de cobre. La investigación ha sido financiada por la National Science Foundation. 

De ahí a la noticia de Nature: probar un nuevo catalizador
El salto dado por los investigadores chinos es un compuesto que se elabora con distintas capas superpuestas que cuentan con cuatro átomos de metal de cobalto y moléculas de óxido de cobalto.

Para llevar a cabo la conversión del dióxido de carbono en combustible se utiliza un proceso denominado electrorreducción. Consiste en aplicar una pequeña corriente eléctrica a este material para cambiar la estructura molecular del CO2 en su interior. 
Cuando la corriente atraviesa el compuesto, éste interactúa con el CO2: un átomo de hidrógeno se une al átomo de carbono de la molécula. Después de ocurrir esto, se añade un electrón extra en uno de los átomos de oxígeno del dióxido de carbono. Como resultado, el CO2 se convierte en formiato, un combustible no contaminante y respetuoso con el medio ambiente que cuando se quema no genera partículas ni gases tóxicos. 


Por último, merece la pena leer el artículo que escribe Popular Mechanics sobre este tema:

Como dicen ahí, el avance fundamental ha sido conseguir un material que, con bajas corrientes eléctricas, consigue altas tasas de conversión de CO2 en formiato:
For decades, Manthiram says, scientists have worked on various materials that electrically catalyze CO2 into various fuels. But those materials have all run into the same problems, problem that keep them from making it out of the lab.
"One barrier has been something we call 'overpotential'—how much extra energy you need to drive this process" he says. "Basically you want to keep that wasted energy as low as possible. [But] as you bring that overpotential down, you'd find that the rate at which you turn CO2 into formate gets slower and slower." By contrast, Manthiram says, the new material has low overpotential but a high rate of formate proudction, all while remaining stable. "It's very rare and difficult to find a material that satisfies all three of those constraints," he says.
On the molecular scale, here's a simple version of how the new material works: When pulsed with electric current, the material interacts with CO2 molecules running through it. Bascially, a hydrogen atom (which has one electron and one proton) gets attached to the carbon atom of the CO2 molecule. When that happens, an extra electron is flung into one of the oxygen atoms in the carbon dioxide. With that, the CO2 becomes CHOO−, or formate.


Que disfrutéis cada hora del fin de semana

Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros


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