Desde su descubrimiento en 1836, el acetileno ha surgido como un compuesto químico esencial en la industria, ampliamente utilizado como bloque de construcción químico y combustible. Tiene aplicaciones en la materia prima para resinas, como el cloruro de vinilo, el gas de soldadura y la iluminación. Los desarrollos recientes destinados a reducir la dependencia de las materias primas del petróleo han demostrado que el acetileno es una molécula de plataforma prometedora para la producción de varios productos químicos básicos. Además, el poliacetileno, un material semiconductor crucial, está hecho de acetileno. Actualmente, el acetileno se produce principalmente mediante dos métodos: el proceso de carburo de calcio y la craqueo. El proceso de carburo de calcio implica la reacción de coque derivado del carbón y cal viva para formar carburo de calcio (CaC2), que luego se hace reaccionar con agua para producir acetileno. En el craqueo, la descomposición térmica de los combustibles fósiles se utiliza para producir acetileno. Ambos métodos dependen en gran medida de los combustibles fósiles, lo que contribuye significativamente a la huella de carbono. Por lo tanto, es esencial desarrollar un nuevo método sostenible que no dependa de los combustibles fósiles.
En un estudio reciente, un equipo de investigadores japoneses propuso un innovador proceso electroquímico utilizando sales fundidas a alta temperatura. Este método produce acetileno indirectamente mediante la formación de CaC2 a partir de dióxido de carbono (CO2). En este proceso, el CaC2 se obtiene mediante electrodeposición y posteriormente se hace reaccionar con agua para producir acetileno. Sin embargo, la eficiencia actual de este proceso es inferior al 10% en la mayoría de las condiciones.
Para abordar este problema, en un nuevo estudio, el equipo, dirigido por el profesor asistente Yuta Suzuki (primer autor) del Harris Science Research Institute, Universidad Doshisha, y el profesor Takuya Goto (autor correspondiente) del Departamento de Ciencias del Medio Ambiente y Modelado Matemático, Facultad de Ciencia e Ingeniería, Universidad Doshisha, e incluyendo al Dr. Tomohiro Isogai del Centro de Tecnología e Innovación de Daikin Industries Ltd., desarrolló un proceso más eficiente con formación selectiva de CaC2. El Dr. Suzuki explica: “Para aumentar la eficiencia actual de la formación de acetileno, es necesario producir selectivamente CaC2 a partir de CO2, lo que depende del control de los fenómenos interfaciales entre el electrodo y el electrólito de sal fundida. Un enfoque es separar las reacciones de electrodeposición de carbono a partir de CO2 y la reducción de iones Ca(II) en el carbono sólido derivado de CO2“. Su estudio, una colaboración entre academia e industria, se puso a disposición en línea el 11 de junio de 2024 y se publicó en el Volumen 494 del Chemical Engineering Journal el 15 de agosto de 2024.
En este método, el acetileno se produce a través de un proceso de electrólisis de dos pasos. Primero, una celda electrolítica que contiene hierro como electrodo de trabajo se sumerge en una mezcla de sal fundida (NaCl–KCl–CaCl2) a 823 K bajo una atmósfera de CO2. Esto da como resultado la electrodeposición de carbono, a partir del CO2 sobre el electrodo de hierro, formando un electrodo de carbono. En el segundo paso, este carbono electrodepositado se convierte selectivamente en CaC2 bajo una atmósfera inerte de argón, que luego se puede utilizar para sintetizar acetileno. Esta segunda electrólisis se puede llevar a cabo utilizando el electrodo de carbono formado en el primer paso tal como está o el residuo de carbono después de la hidrólisis. En este estudio, los investigadores utilizaron el electrodo de carbono del primer paso.
Este método logra la síntesis de acetileno con una alta eficiencia de corriente del 92%. Además, a diferencia de los métodos convencionales que utilizan combustibles fósiles, el CaC2 producido en este proceso no contiene azufre y fósforo en el gas de producto y contribuye al reciclaje de carbono al lograr una producción de CaC2 altamente eficiente.
Los investigadores también investigaron el mecanismo de formación de CaC2 y descubrieron que estaba inducido por la reacción electroquímica de los iones Ca(II) en el plano basal del carbono, en lugar de a través de reacciones entre capas, lo que representa un fenómeno interfacial único. Destacando el potencial de este método, el profesor Goto comenta: “Este método puede conducir a la creación de una industria química basada en el acetileno con acetileno hecho a partir de CO2. Este proceso ayudará a construir una nueva industria basada en el reciclaje de recursos sin utilizar combustibles fósiles.”
Este estudio marca un paso significativo hacia la síntesis sostenible de acetileno y productos relacionados.
Acerca del profesor asistente Yuta Suzuki de la Universidad Doshisha, Japón
Yuta Suzuki es actualmente profesor asistente en el Harris Science Research Institute de la Universidad Doshisha. Obtuvo su maestría y doctorado en la Universidad Doshisha en 2018 y 2021, respectivamente. En 2023, recibió el premio al destacado conferencista del Subcomité de Nuevos Reactores de la Sociedad Japonesa de Energía Atómica. Sus intereses de investigación incluyen ingeniería de recursos terrestres, ciencia energética, nanotecnología, química sostenible, química ambiental, producción de metales y recursos, y química inorgánica y de coordinación.
Acerca del profesor Takuya Goto de la Universidad Doshisha, Japón
Takuya Goto es actualmente profesor en el Departamento de Ciencias del Medio Ambiente y Modelado Matemático, Facultad de Ciencias e Ingeniería, Universidad Doshisha. Obtuvo su doctorado en Ciencias Energéticas de la Universidad de Kyoto, Japón. Tiene alrededor de 100 publicaciones con más de 1000 citas. Sus intereses de investigación incluyen ingeniería nuclear, química inorgánica y electroquímica.
Información de financiación
JSPS KAKENHI Grant Number JP22K14700, Carbon Recycling Fund Institute, y Steel Foundation for Environmental Protection Technology parcialmente apoyaron este trabajo.
Contacto con los medios:
Organización para Iniciativas y Desarrollo de Investigación
Universidad Doshisha
Kyotanabe, Kyoto 610-0394, JAPÓN
Correo electrónico: jt-ura@mail.doshisha.ac.jp
Revista
Chemical Engineering Journal
Método de investigación
Estudio experimental
Tema de investigación
No aplica
Título del artículo
Síntesis de acetileno de alta eficiencia mediante la formación electroquímica selectiva de CaC2 derivado de CO2
Fecha de publicación del artículo
11-jun-2024
Declaración de COI
Los autores declaran que no tienen ningún interés financiero o relación personal conocido que pueda haber parecido influir en el trabajo informado en este documento.
