Combustibles limpios y sostenibles hechos ‘de la nada’ y residuos plásticos

Los investigadores, de la Universidad de Cambridge, desarrollaron un reactor alimentado por energía solar que convierte el CO2 capturado y los desechos plásticos en combustibles sostenibles y otros productos químicos valiosos. En las pruebas, el CO2 se convirtió en gas de síntesis, un componente clave para los combustibles líquidos sostenibles, y las botellas de plástico se convirtieron en ácido glicólico, que se usa ampliamente en la industria cosmética.

Sin embargo, a diferencia de las pruebas anteriores de su tecnología de combustibles solares, el equipo tomó CO2 de fuentes del mundo real, como el escape industrial o el aire mismo. Los investigadores pudieron capturar y concentrar el CO2 y convertirlo en combustible sostenible.

Aunque se necesitan mejoras antes de que esta tecnología pueda usarse a escala industrial, los resultados, publicados en la revista Joulerepresenta otro paso importante hacia la producción de combustibles limpios para impulsar la economía, sin necesidad de una extracción de petróleo y gas que destruya el medio ambiente.

Durante varios años, el grupo de investigación del profesor Erwin Reisner, con sede en el Departamento de Química de Yusuf Hamied, ha estado desarrollando combustibles sostenibles de carbono neto cero inspirados en la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la luz solar en alimento, utilizando hojas artificiales. Estas hojas artificiales convierten el CO2 y el agua en combustibles usando solo la energía del sol.

Hasta la fecha, sus experimentos impulsados ​​por energía solar han utilizado CO2 puro y concentrado de un cilindro, pero para que la tecnología sea de uso práctico, debe ser capaz de capturar activamente CO2 de procesos industriales o directamente del aire. Sin embargo, dado que el CO2 es solo uno de los muchos tipos de moléculas en el aire que respiramos, hacer que esta tecnología sea lo suficientemente selectiva para convertir el CO2 altamente diluido es un gran desafío técnico.

“No solo estamos interesados ​​en la descarbonización, sino también en la desfosilización: necesitamos eliminar por completo los combustibles fósiles para crear una economía verdaderamente circular”, dijo Reisner. “A mediano plazo, esta tecnología podría ayudar a reducir las emisiones de carbono al capturarlas de la industria y convertirlas en algo útil, pero, en última instancia, debemos eliminar por completo los combustibles fósiles de la ecuación y capturar el CO2 del aire”.

Los investigadores se inspiraron en la captura y almacenamiento de carbono (CCS), donde el CO2 se captura y luego se bombea y almacena bajo tierra.

“CCS es una tecnología popular entre la industria de los combustibles fósiles como una forma de reducir las emisiones de carbono mientras continúa la exploración de petróleo y gas”, dijo Reisner. “Pero si en lugar de capturar y almacenar carbono, tuviéramos captura y utilización de carbono, podríamos hacer algo útil a partir del CO2 en lugar de enterrarlo bajo tierra, con consecuencias desconocidas a largo plazo, y eliminar el uso de combustibles fósiles”.

Los investigadores adaptaron su tecnología impulsada por energía solar para que funcione con gases de combustión o directamente del aire, convirtiendo el CO2 y los plásticos en combustible y productos químicos utilizando solo la energía del sol.

Al burbujear aire a través del sistema que contiene una solución alcalina, el CO2 queda atrapado de forma selectiva y los demás gases presentes en el aire, como el nitrógeno y el oxígeno, salen burbujeando de forma inofensiva. Este proceso de burbujeo permite a los investigadores concentrar el CO2 del aire en solución, lo que facilita el trabajo.

El sistema integrado contiene un fotocátodo y un ánodo. El sistema tiene dos compartimentos: en un lado se captura la solución de CO2 que se convierte en gas de síntesis, un combustible simple. Por otro lado, los plásticos se convierten en productos químicos útiles utilizando solo la luz solar.

«El componente de plástico es un truco importante para este sistema», dijo el coautor Dr. Motiar Rahaman. “Capturar y usar CO2 del aire hace que la química sea más difícil. Pero, si añadimos residuos plásticos al sistema, el plástico cede electrones al CO2. El plástico se descompone en ácido glicólico, que se usa ampliamente en la industria cosmética, y el CO2 se convierte en gas de síntesis, que es un combustible simple”.

«Este sistema de energía solar toma dos productos de desecho nocivos, las emisiones de plástico y carbono, y los convierte en algo realmente útil», dijo el coautor Dr. Sayan Kar.

“En lugar de almacenar CO2 bajo tierra, como en CCS, podemos capturarlo del aire y producir combustible limpio a partir de él”, dijo Rahaman. «De esta manera, podemos eliminar la industria de los combustibles fósiles del proceso de producción de combustible, lo que con suerte puede ayudarnos a evitar la destrucción del clima».

“El hecho de que podamos tomar CO2 del aire de manera efectiva y hacer algo útil a partir de él es especial”, dijo Kar. «Es satisfactorio ver que en realidad podemos hacerlo usando solo la luz del sol».

Los científicos están trabajando actualmente en un dispositivo de demostración de sobremesa con eficiencia y practicidad mejoradas para resaltar los beneficios de combinar la captura directa de aire con la utilización de CO2 como un camino hacia un futuro sin carbono.

La investigación fue apoyada en parte por el Instituto de Ciencias Weizmann, la Beca Marie Skłodowska-Curie de la Comisión Europea, el Programa Winton para la Física de la Sostenibilidad y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido ( UKRI). Erwin Reisner es miembro y Motiar Rahaman es investigador asociado de St John’s College, Cambridge. Erwin Reisner dirige el Centro Circular de Plásticos de Cambridge (CirPlas), cuyo objetivo es eliminar los desechos plásticos combinando el pensamiento de cielo azul con medidas prácticas.

Referencia:
Sayan Kar, Motiar Rahaman et al. ‘Captura integrada y utilización solar de CO2 de gases de combustión y aire.’ Julio (2023). DOI: 10.1016/j.joule.2023.05.022