Un nuevo avance en la conversión de dióxido de carbono a combustibles sintéticos se presentó como una posible alternativa frente a la vulnerabilidad energética mundial. Tras las recientes interrupciones en el Estrecho de Ormuz, que restringieron cerca de una quinta parte del suministro global de petróleo y desataron la mayor crisis energética desde la década de 1970, la búsqueda de sustitutos para los hidrocarburos fósiles se ha vuelto prioritaria.
Un equipo de la National University of Singapore logró incrementar la eficiencia y sostenibilidad del proceso electroquímico que transforma CO₂ en compuestos como etileno y etanol, elementos claves para la industria, según informó TechXplore.
En el estudio publicado en Nature Energy, el equipo dirigido por el profesor asistente Andrew Barnabas Wong demostró que al recubrir catalizadores de cobre con biopolímeros ultrafinos provenientes de conchas de crustáceos, madera y otros desechos orgánicos, se alcanzó una selectividad del 90% hacia productos multicarbonados a una densidad de corriente industrial de 1,6 amperios por centímetro cuadrado (A/cm²), y del 83% a un nivel todavía mayor de 2,2 A/cm².
Estos resultados figuran entre los más altos reportados hasta la fecha para la conversión electroquímica de CO₂ mediante cobre. Además, los biopolímeros empleados reemplazan completamente a materiales fluorados como Nafion, clasificados como sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), cuya presencia ya se regula y restringe globalmente debido a su persistencia ambiental y riesgos para la salud.
Mecanismo de acción y ventajas de los biopolímeros
La conversión electroquímica de CO₂ implica el uso de electricidad para descomponer moléculas de CO₂ y agua, que luego se transforman en combustibles y compuestos orgánicos industriales. Aunque el cobre es un catalizador eficaz, obtener productos multicarbonados —como etanol y etileno— en lugar de simple hidrógeno requiere un ajuste muy preciso en las condiciones químicas de la superficie. Tradicionalmente, esta función recaía en materiales PFAS como Nafion, costosos y asociados con efectos adversos para el sistema inmunológico y mayor incidencia de ciertos tipos de cáncer.
El equipo demostró que un recubrimiento biopolimérico de apenas dos a cinco nanómetros sobre el cobre puede replicar y superar esos resultados por medio de mecanismos distintos: los recubrimientos concentran CO₂ cerca del catalizador, restringen la movilidad del agua y facilitan el transporte de iones, lo cual optimiza la producción de etileno y etanol, según la caracterización espectroscópica y modelado computacional.
Según explicó Wong, “hemos mostrado que los productos químicos perpetuos (PFAS), hasta ahora considerados imprescindibles en estas tecnologías, podrían sustituirse por celulosa, quitina y quitosano —biopolímeros derivados de conchas marinas, exoesqueletos de insectos, madera u hojas muertas—“.
Reducción de costos y sustitución de PFAS
Al integrar nanopartículas de cobre recubiertas con biopolímero y nanopartículas de plata en un sistema tándem—una especie de doble filtro, donde dos tipos de catalizadores actúan de forma secuencial para maximizar la eficiencia y la selectividad de la conversión—, el 90% de la corriente eléctrica se destinó a formar productos multicarbonados en condiciones industriales. Incluso al aumentar la densidad de corriente, la selectividad solo disminuyó al 83%, lo que revela la robustez de estos recubrimientos ante exigencias productivas elevadas.
Uno de los datos más destacados es que, al utilizar cobre unido con quitina, se logró 95% de selectividad hacia productos multicarbonados —lo que supera o iguala el desempeño de los electrodos con Nafion— a un costo radicalmente menor: el quitosano de alta pureza ronda los USD 50 por kilogramo, frente a un precio mil veces superior en masa para el Nafion.
Estos avances representan una opción biodegradable y económicamente competitiva frente a los costosos y persistentes PFAS, en sintonía con el creciente movimiento regulatorio internacional para eliminar estos compuestos denominados “químicos eternos”.
Nueva ruta para combustibles y precursores industriales
La conversión electroquímica de CO₂ integra tecnologías orientadas a producir combustibles y materias primas mediante el uso de electricidad renovable en vez de petróleo. Si bien la tecnología aún se encuentra en etapas iniciales, la metodología basada en biopolímeros permite incrementar el rendimiento del catalizador al tiempo que sustituye los químicos de alta persistencia ambiental por reemplazos abundantes y biodegradables obtenidos de flujos de desechos, detalló el portal especializado.
Wong señaló: “Este método simplifica y amplía la posibilidad de mejorar la selectividad de la reducción de CO₂”. Hasta ahora, se creía fundamental el uso de materiales como Nafion para obtener etanol y etileno a partir de CO₂. El hallazgo de que los nuevos recubrimientos, con fuerte afinidad por el agua, logran igualar o superar la eficacia de los PFAS amplía significativamente el horizonte para la innovación en el área.
Las futuras investigaciones se enfocarán en ajustar la proporción de etanol y etileno obtenidos y en incrementar la estabilidad del proceso a largo plazo. De acuerdo con Wong, ya existen otras líneas de desarrollo en curso para potenciar los resultados descritos.
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