Qué es el “apagado controlado” que podría convertir CO₂ en productos comerciales con energía renovable

Un equipo de investigadores que forma parte de la Escuela McKelvey de Ingeniería, la cual pertenece a la Universidad de Washington en San Luis (conocida como WashU), desarrolló una estrategia que permite que los catalizadores hechos a base de cobre mantengan su actividad durante 750 horas ininterrumpidas. Durante ese período, los catalizadores no presentan disminución de rendimiento ni de eficiencia.

Esto puede conseguirse aun cuando la energía eléctrica que utiliza el sistema proviene de una fuente que es intermitente. El hallazgo, cuyas conclusiones fueron difundidas en la revista Nature Catalysis, ofrece una alternativa para unir el proceso de conversión del dióxido de carbono (CO₂), que resulta de desecho, con el aprovechamiento de energías renovables —como la energía solar y la hidroeléctrica—, y reduce los costos operativos alrededor del 25 %.

Los catalizadores que cumplen la función de transformar el CO₂ en productos de valor comercial —por ejemplo, como el acetato— habían sido diseñados para operar con un suministro eléctrico permanente y estable.

El inconveniente aparece en los casos en que la electricidad empleada se genera a partir de fuentes renovables, ya que por su propia naturaleza esas fuentes presentan variaciones: cada vez que el sistema se apagaba, el cátodo elaborado con cobre sufría daños estructurales.

Según detalla el estudio publicado en Nature Catalysis, cuando el cobre estaba expuesto al monóxido de carbono, el metal acumulaba carbonato de cobre, mientras que en una atmósfera de argón, el cobre se oxidaba. Tanto la acumulación de carbonatos como la oxidación dañan de forma irreversible la capacidad del material para actuar como catalizador.

La solución presentada por el equipo liderado por Feng Jiao —profesor titular de la cátedra Lauren y Lee Fixel en McKelvey— consiste en evitar el apagado total del sistema ante cortes en el suministro eléctrico. Proponen que el sistema se mantenga en funcionamiento, aunque opere con menos del 1 % de la densidad de corriente que suele recibir en condiciones normales.

Ese procedimiento, al que denominaron "apagado controlado" y que fue desarrollado conjuntamente con Wanyu Deng y Ahryeon Lee, impide que se formen carbonatos y también previene la oxidación del cobre, y conserva la integridad del catalizador a largo plazo.

Cómo reduce los costos operativos

El beneficio que aporta esta innovación no se limita al aspecto técnico. La nueva estrategia también facilita que los costos operativos se optimicen, dado que permite ajustar el ritmo de producción según el precio que tenga la electricidad: el sistema puede incrementar su actividad y producir más cuando la energía eléctrica es más barata, y disminuir la producción cuando los costos aumentan.

De esta manera, la mayor durabilidad y la gestión dinámica del consumo energético se traducen en una reducción de los costos cercana al 25 %, según el informe que fue publicado por Nature Catalysis.

Cómo probaron el deterioro del cobre

El trabajo fue realizado con investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y de otras instituciones colaboradoras. Para monitorear cómo cambiaba la superficie del cátodo de cobre mientras el sistema funcionaba en condiciones reales, el equipo de investigación recurrió a espectroscopía Raman in situ.

Gracias a ese método, los especialistas observaron en tiempo real los mecanismos por los que se producían las degradaciones y comprobaron la efectividad del protocolo de apagado que implementaron.

El próximo paso de la investigación

Jiao afirmó, en declaraciones recogidas por Nature Catalysis, que el punto de partida de toda la investigación fue la necesidad de adaptar esta tecnología a contextos geográficos diversos donde puede ocurrir que la energía renovable sea la única fuente disponible para funcionar.

"El próximo paso es desarrollar sistemas de catalizadores aún más robustos y pensar en estrategias que puedan integrarse de forma transparente en los procesos de electrólisis de monóxido de carbono en una escala industrial", aseguró el investigador.