Combustible del Futuro: 10 Experimentos Paralelos para Convertir CO₂ en Energía

Si mezclas combustible fósil con un poco de oxígeno y añades una chispa, se producen tres cosas: agua, dióxido de carbono que calienta el clima y mucha energía. Esta reacción química fundamental tiene lugar en todos los motores de combustión, ya funcionen con gasolina, diésel o queroseno. En teoría, esta reacción puede invertirse: con la adición de energía (renovable), el CO₂ previamente liberado puede convertirse de nuevo en un combustible (sintético).

Esta fue la idea clave detrás de la Iniciativa Conjunta SynFuels, financiada por la Junta de la ETH. Investigadores de la Empa y del Instituto Paul Scherrer (PSI) pasaron tres años trabajando en formas de producir combustibles sintéticos, conocidos como synfuels, de forma económica y eficiente a partir del CO₂. Sin embargo, esta reacción presenta desafíos: por un lado, la electrólisis del CO₂ no solo produce el combustible que se quemó previamente. Más bien, se pueden formar simultáneamente más de 20 productos diferentes, y son difíciles de separar entre sí.

La composición de estos productos se puede controlar de varias maneras, por ejemplo, mediante las condiciones de reacción, el catalizador utilizado y la microestructura de los electrodos. El número de combinaciones posibles es enorme y examinar cada una individualmente llevaría demasiado tiempo. ¿Cómo se supone que los científicos deben encontrar la mejor? Los investigadores de la Empa ahora han acelerado este proceso en un factor de 10.

Acelerando la investigación

Como parte del proyecto SynFuels, investigadores dirigidos por Corsin Battaglia y Alessandro Senocrate del laboratorio de Materiales para la Conversión de Energía de la Empa han desarrollado un sistema que puede utilizarse para investigar hasta diez condiciones de reacción diferentes, así como materiales de catalizador y electrodo simultáneamente. Los investigadores han publicado recientemente el esquema del sistema y el software que lo acompaña en la revista Nature Catalysis.

El sistema consta de diez “reactores”: pequeñas cámaras con catalizadores y electrodos en las que se produce la reacción. Cada reactor está conectado a múltiples entradas y salidas de gas y líquido y a varios instrumentos a través de cientos de metros de tuberías. Numerosos parámetros se registran de forma totalmente automática, como la presión, la temperatura, los flujos de gas y los productos de reacción líquida y gaseosa, todo con una alta resolución temporal.

“Que nosotros sepamos, este es el primer sistema de su tipo para la electrólisis del CO₂”, dice Alessandro Senocrate, investigador postdoctoral de la Empa. “Proporciona una gran cantidad de conjuntos de datos de alta calidad, lo que nos ayudará a realizar descubrimientos acelerados”. Cuando se estaba desarrollando el sistema, algunos de los instrumentos necesarios ni siquiera estaban disponibles en el mercado. En colaboración con la empresa Agilent Technologies, los investigadores de la Empa co-desarrollaron el primer dispositivo de cromatografía líquida en línea del mundo, que identifica y cuantifica los productos de reacción líquida en tiempo real durante la electrólisis de CO_₂.

Compartiendo datos de investigación

Llevar a cabo experimentos diez veces más rápido también genera diez veces más datos. Para analizar estos datos, los investigadores han desarrollado una solución de software que están poniendo a disposición de científicos de otras instituciones de forma de código abierto. También quieren compartir los propios datos con otros investigadores. “Hoy en día, los datos de investigación a menudo desaparecen en un cajón tan pronto como se publican los resultados”, explica Corsin Battaglia, jefe del laboratorio de Materiales para la Conversión de Energía de la Empa. Un proyecto de investigación conjunta entre la Empa, el PSI y la ETH de Zúrich, que lleva el nombre de PREMISE, tiene como objetivo evitar esto: “Queremos crear métodos estandarizados para almacenar y compartir datos”, dice Battaglia. “Entonces, otros investigadores pueden obtener nuevos conocimientos de nuestros datos, y viceversa”.

El acceso abierto a los datos de investigación también es una prioridad en otras actividades de investigación del laboratorio de Materiales para la Conversión de Energía. Esto incluye el Centro Nacional de Competencia en Investigación NCCR Catalysis, que se centra en la química sostenible. El nuevo sistema de electrólisis paralela del CO₂ está llamado a desempeñar un papel importante en la segunda fase de este proyecto nacional a gran escala, tanto los datos generados como los conocimientos se pondrán a disposición de otras instituciones de investigación suizas. Para ello, los investigadores de la Empa seguirán perfeccionando tanto el hardware como el software en el futuro.