Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
En el escrito de la semana pasada, hablábamos de un
descubrimiento de esos que pueden marcar época, la posibilidad de emplear el
CO2 que expulsamos a la atmósfera en un
combustible limpio con una eficiencia energética sin precedentes
La noticia en sí es tremendamente excitante, por varias
razones:
-De esa forma, podremos eliminar CO2 de la atmósfera
-Transforma esa “basura” que mandamos a la atmósfera en una
fuente de energía
-Además, podemos hacerlo con una eficiencia prometedora
-Los subproductos generados son limpios
La noticia era ésta:
New
material converts CO2 into clean fuel with unprecedented efficiency
A new
material made from microscopic layers of cobalt can convert carbon dioxide gas
into formate - a fuel that can be burned with no toxic
byproducts and used as a clean energy source.
Developed
by a team of researchers in China, the material could be one way to deal with
the 36 gigatonnes of CO2 we release into the atmosphere
each year due to fossil fuel use. Scientists have been struggling for decades
to come up with an energy-efficient way to transform CO2 into something useful,
and early testing points to this new material as being one of the most
promising options we’ve seen so far.
"This
represents a fundamental scientific breakthrough," Karthish Manthiram, a
chemical engineer from the California Institute of Technology who was not
involved in the research, told William Herkewitz at Popular Mechanics.
"Certainly
it will be a years-long process before this is worked into a successful,
commercial device. But at this stage of development, by all conceivable
metrics, this reaction looks very positive."
The
material is just four atoms thick, and is made up of ultra-thin layers of pure
cobalt metal and a cobalt oxide-cobalt metal mix. When it undergoes the process
of electroreduction, which involves feeding a small
electric current through the material to change the molecular structure of the
CO2 inside, it produces a clean-burning fuel.
As Herkewitz explains, when an electric current is
applied to the cobalt nanomaterial, it causes the molecules inside the material
to interact with the CO2 molecules that are running freely through
it. This causes hydrogen atoms to attach to carbon atoms from the CO2, prompting
an extra electron to be propelled into one of its oxygen atoms. "With
that, the CO2 becomes CHOO-, or formate," he says.
Lab tests
with the material confirmed that it can maintain "stable current densities
of about 10 milliamperes [of formate] per square centimetre over 40 hours, with
approximately 90 percent formate selectivity at an overpotential of only 0.24
volts".
I know you
want to, but don’t freak out about what all that actually means just yet.
This
"overpotential" is the amount of energy lost due to the slowness of
electrochemical reactions sustained by electrodes such as this one. The smaller
the overpotential, the better, but in order to make something efficient, it has
to maintain that small overpotential while also keeping the rate of fuel
production up. This is where many attempts at CO2 electroreduction have fallen
short in the past.
Manthiram,
who is himself working on his own CO2 electroreduction solutions,told Popular Mechanics that not only can this new
material sustain that low overpotential while also achieving a high rate of
formate production, it manages to keep everything stable too. "It's very
rare and difficult to find a material that satisfies all three of those
constraints," he said, adding that this material is "the best
we've seen" so far.
The team,
from China's Hefei National Laboratory for Physical Sciences, describes the
material in the journal Nature. The next step will be to
demonstrate how it can be incorporated into commercial technology so we can
start using up some of the CO2 that's floating around in our atmosphere, causing trouble.
Read these next:
- Scientists are building a system that could turn atmospheric CO2
into fuel
- A Canadian start-up is removing CO2 from the air and turning it
into pellets
- Physicists achieve early stages of a new, solid state of hydrogen
Descubren
método de convertir el CO2 en combustible líquido
La
transformación del CO2 al combustible líquido se logra mediante la intervención
de electricidad y de un elemento catalizador.
Investigadores
chinos descubrieron un nuevo proceso que puede convertir el dióxido de carbono
(CO2) en combustible líquido.
Según
publicó este jueves la revista Nature, este método supone un proceso limpio para
reemplazar muchos de los productos químicos basados en combustibles fósiles, a
la vez que se aprovechan las emisiones de CO2 y se mitigan sus efectos adversos
en el ambiente.
El dióxido de carbono será
transformado gracias a la intervención de electricidad y de un elemento
catalizador, el cual que aumenta la velocidad de una reacción química. Este
procedimiento es conocido como electrorreducción.
Los científicos descubrieron
que ciertas disposiciones de átomos de cobalto y de óxido de cobalto dan al
electrocatalizador mayor actividad catalítica, lo que permite la conversión de
CO2 en combustible líquido.
Las
emisiones de CO2 son una de las principales causas del calentamiento
global. Este proceso serviría para reemplazar muchos de los productos
químicos basados en combustibles fósiles.
El
autor del trabajo, Yongfu Sun, y sus compañeros de la Universidad de Ciencia y
Tecnología de China crearon cuatro capas gruesas de átomos de cobalto puro o
mezclado y de óxido de cobalto para ser empleadas como catalizadores.
Con
este experimento, comprobaron que el cobalto se vuelve activo cuando se sitúa
en la disposición y en el estado de oxidación adecuados.
La
estructura de capas de átomos y la presencia de óxido de metal aumentaron la
velocidad de la reacción, que era mayor que la registrada anteriormente con
catalizadores de metal u óxido de metal.
Con
esta investigación, el equipo de científicos busca nuevas oportunidades de
manipulación y mejora de las propiedades de electrorreducción del CO2 en
metales.
No
obstante, convertir CO2 en sustancias químicas de mayor valor sigue siendo un
reto en este proceso ya que requiere enormes cantidades de energía,
indican
Vamos a explicar, de la forma más pedagógica que podamos (
siempre es nuestro norte hacerlo así ) las bases físico/químicas de este
extraordinario descubrimiento:
COMBUSTIBLE, COMBURENTE Y ENERGIA DE ACTIVACION
COMBUSTIBLE:
Llamamos combustible a cualquier sustancia tiene la
capacidad de arder en presencia de un comburente (oxígeno en la mayoría de los
casos) mediante la aplicación de una energía de activación, que puede ser una
chispa.
El combustible libera parte de su energía en forma de calor
cuando arde, al mismo tiempo que cambia su estructura química, debido al
proceso de combustión. Los combustibles se clasifican dependiendo de su estado
en sólidos, líquidos y gaseosos.
Como combustibles sólidos más utilizados podemos distinguir
el carbón o la madera. El carbón es uno de los materiales más utilizados en
centrales térmicas para calentar el agua de las calderas y con esta generar
electricidad. La madera se utiliza igualmente para calentar el agua aunque en
su caso se dedica más al consumo doméstico. Anteriormente estos materiales se
utilizaban de forma generalizada para máquinas a vapor y generación de
electricidad y calor aunque actualmente su uso se ha visto reducido gracias a
la aparición de nuevos combustibles con mayor poder calorífico.
Fuego producido por un combustible sólido
Entre los combustibles líquidos podemos encontrar la
gasolina, el gasóleo, el queroseno o el petróleo. El uso principal de los
combustibles líquidos es para los motores de combustión interna de los
vehículos. Otros combustibles líquidos como el gasóleo se emplean para calentar
las calderas de calefacción central de muchos edificios residenciales.
Si hablamos de combustibles gaseosos tenemos que mencionar
al gas natural. El gas natural es uno de los combustibles más utilizados
actualmente en los hogares gracias a las redes de distribución que se han
instalado por todo el territorio. El gas natural se utiliza para las calderas
de calefacción individual de los hogares así como para los fuegos de la cocina.
Otra reacción de combustión se produce continuamente
en el interior de nuestros cuerpos, se trata de una reacción en la que el
combustible utilizado son las proteínas, los carbohidratos y los lípidos. Estos
combustibles, en combinación con el oxígeno proporcionan la energía
necesaria para el funcionamiento de nuestros cuerpos.
Triángulo del fuego (Combustible, comburente y energía de
activación)
Comburente
El comburente es el encargado de oxidar el combustible
favoreciendo la combustión. El comburente más habitual en la tierra es el
oxígeno, que se encuentra en la atmósfera en una proporción de un 21%. Esta
proporción es más que suficiente para que se produzca la combustión de los
combustibles. Dependiendo de otros factores con concentraciones de entre un
10-15% de oxígeno puede producirse la combustión.
En ocasiones deseamos producir una combustión en
lugares en los que el oxígeno escasea como puede ser el espacio, en el que el
oxígeno es totalmente inexistente. Las combustiones que necesitamos realizar en
el espacio son las de los cohetes que maniobran los satélites o los
transbordadores espaciales. Para este tipo de combustiones los cohetes van
equipados con oxígeno en estado líquido.
El calor representa a la energía de activación
La energía de activación
La energía de activación es la energía necesaria para que se
inicie la reacción de la combustión. En el proceso de combustión el combustible
y el comburente por si solos no producen una reacción de combustión. Se
necesita un aporte extra de energía para superar el nivel de activación.
Imaginemos el ejemplo de una cerilla o un fósforo. La cabeza de la
cerilla sería el combustible, el aire que lo rodea el comburente y el gesto de
raspar la cerilla contra la lija aportaría la energía de activación necesaria
en forma de calor para que se active la reacción de combustión.
En el fondo, lo que buscamos es reproducir la
fotosíntesis como fuente de energía, o sea:
¡!!Producir combustible a a partir del CO2
atmosférico!!!...aunque estamos lejos de conseguir su eficiencia energética
La fotosíntesis: una fuente de energía alternativa
Todos los organismos vivos necesitan de energía para vivir. La mayor parte de esta energía procede del Sol, y aunque no todos la usan directamente, las plantas verdes y demás organismos fotosintéticos (algunas bacterias y algas) pueden capturar la energía solar, transformarla en energía química y almacenarla. Este proceso natural se denomina fotosíntesis y consiste en convertir la energía lumínica, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno.
Todos los organismos vivos necesitan de energía para vivir. La mayor parte de esta energía procede del Sol, y aunque no todos la usan directamente, las plantas verdes y demás organismos fotosintéticos (algunas bacterias y algas) pueden capturar la energía solar, transformarla en energía química y almacenarla. Este proceso natural se denomina fotosíntesis y consiste en convertir la energía lumínica, el agua y el dióxido de carbono en carbohidratos y oxígeno.
En la actualidad, los científicos exploramos los mecanismos
que intervienen en la fotosíntesis con el fin de producir energías
alternativas: es lo que se conoce como fotosíntesis artificial. Éste es un
proceso químico que intenta reproducir de forma eficiente el proceso natural de
la fotosíntesis que transcurre en el cloroplasto de las células vegetales y en
las cianobacterias. Sin duda, es uno de los retos más difíciles de la Química
actual. El objetivo de la fotosíntesis artificial es diseñar y producir
materiales inspirados en la fotosíntesis natural, que puedan producir
combustible a partir de la luz solar, el agua y el dióxido de carbono.
Claves de las reacciones implicadas en la fotosíntesis
La fotosíntesis se suele identificar con el típico proceso
de fijación de dióxido de carbono (CO2) que realizan las hojas de las plantas.
En conjunto, la reacción conlleva la reducción de la molécula de CO2 con
electrones extraídos del agua, que a su vez se oxida a dioxígeno (O2) y se
libera a la atmósfera como producto residual. El CO2 así reducido se incorpora
en forma de glucosa al metabolismo celular. No obstante, en un sentido
más amplio y preciso fotosíntesis significa reducción y posterior asimilación
no sólo de dióxido de carbono, sino también de ciertas formas inorgánicas de
nitrógeno (dinitrógeno, nitrato y nitrito) y azufre (sulfato y sulfito), los
otros dos bioelementos primordiales necesarios para la síntesis de las
macromoléculas biológicas (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, etc.).
La función del agua en fotosíntesis es suministrar
electrones para dichas reacciones redox, es decir, el agua interviene como
fuente de electrones. Puesto que la molécula de agua es un agente reductor muy
débil, sus electrones deben ser energetizados por los fotones de la luz solar,
de forma tal que adquieran el potencial suficiente para reducir a las moléculas
inorgánicas citadas de carbono, nitrógeno y azufre. La energetización de los
electrones del agua se realiza gracias a la clorofila, el típico pigmento verde
del mundo vegetal que actúa como receptor y conversor de la energía solar en
energía química.
Breve recuerdo de lo que es la oxidación y reducción
Explican cómo obtener combustible para aviones a
partir del contaminante CO2
Investigadores de EE.UU. describen el mecanismo que lo
transforma en monóxido de carbono, con el que a su vez se produce el Sintegás
Investigadores de la Universidad de Illinois (EE.UU.) han
descrito el mecanismo de una celda de combustible químico que convierte el
dióxido de carbono (CO2) en monóxido de carbono con muy poco gasto energético.
Este monóxido se utiliza para producir Sintegas, un combustible que ya se usa
en aviación. Por Natalia García Rey*.
El proceso que se produce en la celda. Imagen: N. G. Rey/D. Dlott. Fuente:
American Chemical Society.
El dióxido de carbono es uno de los gases que
contribuyen al efecto invernadero, y científicos de todo el mundo tratan de
usar este exceso de dióxido de carbono en la atmósfera, convirtiéndolo en
combustibles como etanol o metanol, y así eliminar la dependencia del
petróleo.
Uno de los carburantes ya usados en aviación es el Sintegas, o gas de síntesis, compuesto por monóxido de carbono e hidrógeno. El monóxido de carbono se puede obtener a partir de la electro-reducción del dióxido de carbono, que se realiza aplicando energía eléctrica en una celda química, similar a una pila.
Al contrario que en una batería, en vez de obtener electricidad de una reacción química, en este caso; se aplica un voltaje (energía eléctrica) y al introducir el dióxido de carbono, se obtiene el producto químico deseado: monóxido de carbono.
Sin embargo, la conversión del dióxido de carbono en otro producto no es muy favorable energéticamente por ser una molécula muy estable. Por lo tanto, sigue siendo uno de los retos de la comunidad científica: Encontrar un catalizador o unas condiciones (presión, temperatura) en las que la electro-reducción del dióxido de carbono se pueda producir a gran escala y a bajo coste energético.
En 2011, un grupo de ingenieros químicos de la empresa Dioxide Materials en colaboración con un grupo de la Universidad de Illinois (Urbana-Champaign, EE.UU.) presentaron una novedosa celda de combustible, en la que a partir del dióxido de carbono se obtenía una gran selectividad en la conversión en monóxido de carbono (es decir, que éste era el producto obtenido mayoritariamente) a voltajes muy bajos.
Esta celda electroquímica estaba compuesta por electrodos de difusión de gas, nanopartículas de platino y plata, un electrolito compuesto de un líquido iónico (EMIM-BF4) y agua. En un artículo publicado en la revista Science, explicaron que el líquido iónico formaba un complejo con el dióxido de carbono, permitiendo la electro-reducción a voltajes más bajos. Este descubrimiento abría una nueva puerta hacia la producción a gran escala de estas celdas.
Uno de los carburantes ya usados en aviación es el Sintegas, o gas de síntesis, compuesto por monóxido de carbono e hidrógeno. El monóxido de carbono se puede obtener a partir de la electro-reducción del dióxido de carbono, que se realiza aplicando energía eléctrica en una celda química, similar a una pila.
Al contrario que en una batería, en vez de obtener electricidad de una reacción química, en este caso; se aplica un voltaje (energía eléctrica) y al introducir el dióxido de carbono, se obtiene el producto químico deseado: monóxido de carbono.
Sin embargo, la conversión del dióxido de carbono en otro producto no es muy favorable energéticamente por ser una molécula muy estable. Por lo tanto, sigue siendo uno de los retos de la comunidad científica: Encontrar un catalizador o unas condiciones (presión, temperatura) en las que la electro-reducción del dióxido de carbono se pueda producir a gran escala y a bajo coste energético.
En 2011, un grupo de ingenieros químicos de la empresa Dioxide Materials en colaboración con un grupo de la Universidad de Illinois (Urbana-Champaign, EE.UU.) presentaron una novedosa celda de combustible, en la que a partir del dióxido de carbono se obtenía una gran selectividad en la conversión en monóxido de carbono (es decir, que éste era el producto obtenido mayoritariamente) a voltajes muy bajos.
Esta celda electroquímica estaba compuesta por electrodos de difusión de gas, nanopartículas de platino y plata, un electrolito compuesto de un líquido iónico (EMIM-BF4) y agua. En un artículo publicado en la revista Science, explicaron que el líquido iónico formaba un complejo con el dióxido de carbono, permitiendo la electro-reducción a voltajes más bajos. Este descubrimiento abría una nueva puerta hacia la producción a gran escala de estas celdas.
Airbus 320. Fuente: Airbus (2012).
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El experimento
Ahora, para entender la reacción producida en esta celda química de combustible, fisicoquímicos de la Universidad de Illinois han estudiado la mitad de la celda (cátodo) donde se produce la electro-reducción del dióxido de carbono. Esta reacción ocurre en la superficie entre el electrodo de plata y el electrolito de líquido iónico y agua con dióxido de carbono disuelto.
Para caracterizar la superficie de la plata cubierta por el líquido, es necesario el uso de una técnica óptica, porque sólo los fotones pueden penetrar en el líquido sin modificarlo. Cualquier técnica basada en electrones no se puede usar, porque sólo pueden viajar en el vacío.
La técnica usada se llama sum frequency generation (generación de la suma de las frecuencias) porque consiste en detectar la suma de las frecuencias, y se produce cuando dos pulsos de luz de frecuencia infrarroja y visible se superponen en la muestra en el mismo lugar y tiempo.
Se necesitan láseres ultracortos, es decir, pulsos de luz coherente muy energéticos que iluminan la muestra durante un tiempo tan corto como el que la luz tarda en viajar una distancia tan pequeña como el diámetro de un pelo. Uno de los haces de luz es infrarrojo, siendo resonante con un estado de vibración de la molécula que se quiera detectar en la superficie.
Las vibraciones moleculares son propiedades intrínsecas de cada molécula, en otras palabras: sus huellas dactilares. Por lo tanto, la sum frequency generation en sincronización con otra técnicas electroquímicas (cyclic voltammetry, voltametría cíclica), permite observar en tiempo real y en el lugar, cómo cambian las moléculas en la superficie de la plata cuando se perturba el ambiente, en este caso el voltaje de la superficie.
'Película'
Básicamente, los investigadores han hecho una película de cómo se organizan las moléculas del líquido iónico cuando la electro-reducción del dióxido de carbono se está produciendo. En particular se observaron dos efectos: cómo la orientación de las moléculas del líquido iónico en la superficie controla la electro-reducción de dióxido de carbono, y que el monóxido de carbono es producido en el electrodo y no lo contamina.
Este descubrimiento es un avance en la ciencia fundamental y un conocimiento esencial para el progreso y desarrollo de una nueva celda. Hay muy pocos laboratorios en el mundo que dispongan de esta tecnología y que hagan este tipo de experimentos en sistemas tan complejos (por no decir casi el único).
Los resultados han sido portada de The Journal of Physical Chemistry C, y el proyecto ha sido financiado por Air Force Office of Scientific Research, de la Fuerza Aérea estadounidense, y National Science Foundation.
Ahora, para entender la reacción producida en esta celda química de combustible, fisicoquímicos de la Universidad de Illinois han estudiado la mitad de la celda (cátodo) donde se produce la electro-reducción del dióxido de carbono. Esta reacción ocurre en la superficie entre el electrodo de plata y el electrolito de líquido iónico y agua con dióxido de carbono disuelto.
Para caracterizar la superficie de la plata cubierta por el líquido, es necesario el uso de una técnica óptica, porque sólo los fotones pueden penetrar en el líquido sin modificarlo. Cualquier técnica basada en electrones no se puede usar, porque sólo pueden viajar en el vacío.
La técnica usada se llama sum frequency generation (generación de la suma de las frecuencias) porque consiste en detectar la suma de las frecuencias, y se produce cuando dos pulsos de luz de frecuencia infrarroja y visible se superponen en la muestra en el mismo lugar y tiempo.
Se necesitan láseres ultracortos, es decir, pulsos de luz coherente muy energéticos que iluminan la muestra durante un tiempo tan corto como el que la luz tarda en viajar una distancia tan pequeña como el diámetro de un pelo. Uno de los haces de luz es infrarrojo, siendo resonante con un estado de vibración de la molécula que se quiera detectar en la superficie.
Las vibraciones moleculares son propiedades intrínsecas de cada molécula, en otras palabras: sus huellas dactilares. Por lo tanto, la sum frequency generation en sincronización con otra técnicas electroquímicas (cyclic voltammetry, voltametría cíclica), permite observar en tiempo real y en el lugar, cómo cambian las moléculas en la superficie de la plata cuando se perturba el ambiente, en este caso el voltaje de la superficie.
'Película'
Básicamente, los investigadores han hecho una película de cómo se organizan las moléculas del líquido iónico cuando la electro-reducción del dióxido de carbono se está produciendo. En particular se observaron dos efectos: cómo la orientación de las moléculas del líquido iónico en la superficie controla la electro-reducción de dióxido de carbono, y que el monóxido de carbono es producido en el electrodo y no lo contamina.
Este descubrimiento es un avance en la ciencia fundamental y un conocimiento esencial para el progreso y desarrollo de una nueva celda. Hay muy pocos laboratorios en el mundo que dispongan de esta tecnología y que hagan este tipo de experimentos en sistemas tan complejos (por no decir casi el único).
Los resultados han sido portada de The Journal of Physical Chemistry C, y el proyecto ha sido financiado por Air Force Office of Scientific Research, de la Fuerza Aérea estadounidense, y National Science Foundation.
El CO2 como materia prima
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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