Combinando captura y eliminación
Fuente: http://web.mit.edu/
Algunas plantas de energía utilizan materiales llamados absorbentes para eliminar el dióxido de carbono (CO2) de sus gases de escape para que puedan ser secuestrados del medio ambiente. Sin embargo, separar el CO2 del absorbente requiere altas temperaturas y produce CO2 gas que debe almacenarse a largo plazo, una perspectiva que plantea problemas de seguridad. En un estudio de prueba de concepto, los investigadores del MIT han demostrado un sistema similar a una batería que utiliza el mismo sorbente de captura de CO2 en un electrolito especialmente diseñado que provoca reacciones electroquímicas con tres beneficios: separan el CO 2 del sorbente; promueven la descarga de electricidad de la batería; e incorporan el CO2. en un sólido que puede servir como material de electrodo o descartarse de forma segura. Su sistema, hecho de electrodos de litio y carbono más el electrolito especial, logra voltajes de descarga similares a los de otras baterías de gas de litio en desarrollo. Los investigadores ahora están trabajando para comprender y optimizar su sistema a base de litio y para ver si los metales menos costosos y abundantes en la tierra podrían funcionar también.
La reducción de las emisiones de CO2 de las centrales eléctricas se considera un componente esencial de cualquier plan de mitigación del cambio climático. Muchos esfuerzos de investigación se centran en desarrollar e implementar sistemas de captura y secuestro de carbono (CCS) para mantener las emisiones de CO2 de las centrales eléctricas fuera de la atmósfera. Pero separar el CO2 capturado y convertirlo de nuevo en un gas que puede almacenarse puede consumir hasta un 25% de la capacidad de generación de energía de una planta. Además, el gas CO2 generalmente se inyecta en formaciones geológicas subterráneas para el almacenamiento a largo plazo, un método de eliminación cuya seguridad y confiabilidad aún no están probadas.
Un mejor enfoque sería convertir el CO2 capturado en productos útiles, como combustibles o productos químicos de valor agregado. Con ese fin, la atención se ha centrado en los procesos electroquímicos, en este caso, un proceso en el que las reacciones químicas liberan energía eléctrica, como en la descarga de una batería. El medio ideal para realizar la conversión electroquímica de CO2 parece ser el agua. El agua puede proporcionar los protones (partículas cargadas positivamente) necesarias para producir combustibles como el metano. Pero ejecutar tales sistemas “acuosos” (basados en agua) requiere grandes aportes de energía, y solo una pequeña fracción de los productos formados son los de interés.
Betar Gallant , profesora asistente de ingeniería mecánica, y su grupo, por lo tanto, se han centrado en reacciones electroquímicas no acuosas (sin agua), en particular, aquellas que ocurren dentro de las baterías de litio-CO2 .
La investigación en litio-CO2 baterías se encuentra en sus primeras etapas, de acuerdo con Gallant, pero el interés en ellos está creciendo debido CO2 se utiliza en las reacciones químicas que se producen en uno de los electrodos ya que la batería se está descargando. Sin embargo, el CO2 no es muy reactivo. Los investigadores han intentado acelerar el proceso utilizando diferentes electrolitos y materiales de electrodos. A pesar de tales esfuerzos, ha persistido la necesidad de usar catalizadores metálicos costosos para provocar la actividad electroquímica.
Dada la falta de progreso, Gallant quiso probar algo diferente. «Estábamos interesados en tratar de traer una nueva química para abordar el problema», dice ella. Y contar con la ayuda de las moléculas sorbentes que tan efectivamente capturan el CO2 en CCS parecía ser un camino prometedor.
Repensando amina
La molécula sorbente utilizada en CCS es una amina, un derivado del amoníaco. En CCS, el escape se burbujea a través de una solución que contiene amina, y la amina se une químicamente al CO2 , eliminándolo de los gases de escape. El CO2, ahora en forma líquida, se separa de la amina y se convierte nuevamente en un gas para su eliminación.
En CCS, esos últimos pasos requieren altas temperaturas, que se logran utilizando parte de la salida eléctrica de la planta de energía. Gallant se preguntó si su equipo podría utilizar reacciones electroquímicas para separar el CO2 de la amina y luego continuar la reacción para crear un producto sólido que contenga CO2 . Si es así, el proceso de eliminación sería más simple que para el CO2 gaseoso . El CO2 estaría más densamente empaquetado, por lo que ocuparía menos espacio; Y no podía escapar, por lo que sería más seguro. Mejor aún, se podría extraer energía eléctrica adicional del dispositivo a medida que se descarga y forma el material sólido. «La visión era colocar un dispositivo similar a una batería en el flujo de desechos de la planta de energía para secuestrar el CO capturado en un sólido estable, mientras se recolecta la energía liberada en el proceso ”, dice Gallant.
La investigación sobre la tecnología CCS ha generado una buena comprensión del proceso de captura de carbono que tiene lugar dentro de un sistema CCS. Cuando se agrega CO2 a una solución de amina, las moléculas de las dos especies se combinan espontáneamente para formar un «aducto», una nueva especie química en la que las moléculas originales permanecen en gran parte intactas. En este caso, las formas de aducto cuando un átomo de carbono en un CO2 moléculas bonos químicamente con un átomo de nitrógeno en una molécula de amina. A medida que se combinan, la molécula de CO2 se reconfigura: cambia de su forma lineal original y altamente estable a una forma «doblada» con una carga negativa, una forma altamente reactiva que está lista para una reacción posterior.
En su esquema, Gallant propuso utilizar la electroquímica para separar el aducto de CO _ { 2} – amina, justo en el enlace carbono-nitrógeno. Escindir el aducto en ese enlace sería separar las dos piezas: la amina en su estado original, sin reaccionar, listos para capturar más CO2 , y el doblado, químicamente forma reactiva de CO2 , que podrían entonces reaccionar con los electrones y litio cargado positivamente iones que fluyen durante la descarga de la batería (consulte el diagrama a continuación). El resultado de esa reacción podría ser la formación de carbonato de litio (Li2 CO3), que se depositaría en el electrodo de carbono.
Al mismo tiempo, las reacciones en el electrodo de carbono deberían promover el flujo de electrones durante la descarga de la batería, incluso sin un catalizador metálico. «La descarga de la batería se produciría espontáneamente», dice Gallant. “Y nos gustaría romper el aducto de una manera que nos permite renovar nuestro CO2 absorbente, teniendo CO2 a una forma estable y sólida.”
Un proceso de descubrimiento.
En 2016, la estudiante galante y doctoral Aliza Khurram de ingeniería mecánica comenzó a explorar esa idea.
Su primer reto fue desarrollar un nuevo electrolito. Una batería de litio-CO2 consta de dos electrodos, un ánodo hecho de litio y un cátodo de carbono, y un electrolito, una solución que ayuda a transportar las partículas cargadas entre los electrodos mientras la batería se carga y descarga. Para su sistema, necesitaban un electrolito hecho de amina más CO2 capturado disuelto en un solvente, y necesitaba promover reacciones químicas en el cátodo de carbono cuando la batería se descargaba.
Comenzaron probando posibles disolventes. Mezclaron su amina absorbente de CO2 con una serie de solventes utilizados frecuentemente en baterías y luego burbujearon CO2 a través de la solución resultante para ver si el CO2 podría disolverse en altas concentraciones en este ambiente químico no convencional. Ninguna de las soluciones de amina-solvente exhibió cambios observables cuando se introdujo el CO2, lo que sugiere que todas ellas podrían ser candidatas solventes viables.
Sin embargo, para que funcione cualquier dispositivo electroquímico, el electrolito debe estar enriquecido con una sal para proporcionar iones cargados positivamente. Debido a que es una batería de litio, los investigadores comenzaron agregando una sal a base de litio y los resultados experimentales cambiaron dramáticamente. Con la mayoría de los candidatos a solventes, la adición de la sal provocó que la mezcla formara precipitados sólidos o se volviera altamente viscosa, resultados que los descartaron como solventes viables. La única excepción fue el disolvente dimetilsulfóxido, o DMSO. Incluso cuando estaba presente la sal de litio, el DMSO podía disolver la amina y CO2 .
«Encontramos que, fortuitamente, la sal a base de litio fue importante para permitir que la reacción prosiga», dice Gallant. «Hay algo acerca del ion litio cargado positivamente que se coordina químicamente con el aducto de amina-CO2 , y juntas esas especies hacen que las especies sean electroquímicamente reactivas».
Explorando el comportamiento de la batería durante la descarga
Para examinar el comportamiento de descarga de su sistema, los investigadores instalaron una celda electroquímica que consiste en un ánodo de litio, un cátodo de carbono y su electrolito especial, para simplificar, ya cargado con CO2 . Luego rastrearon el comportamiento de descarga en el cátodo de carbono.
Como habían esperado, su electrolito especial realmente promovió la reacción de descarga en la celda de prueba. «Con la amina incorporada en el electrolito basado en DMSO junto con la sal de litio y el CO2, vemos capacidades muy altas y voltajes de descarga significativos, casi 3 voltios», dice Gallant. Sobre la base de esos resultados, llegaron a la conclusión de que su sistema funciona como una batería de litio-CO2 con capacidades y voltajes de descarga competitivos con los de las baterías de gas de litio de última generación.
El siguiente paso fue confirmar que las reacciones estaban efectivamente separando la amina del CO2 y continuando la reacción para hacer productos derivados de CO2 . Para averiguarlo, los investigadores utilizaron una variedad de herramientas para examinar los productos que se formaron en el cátodo de carbono.
En una prueba, produjeron imágenes de la superficie del cátodo de post-reacción utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM). Inmediatamente fueron evidentes las formaciones esféricas con un tamaño característico de 500 nanómetros, distribuidos regularmente en la superficie del cátodo (ver la imagen a continuación). Según Gallant, la estructura esférica observada del producto de descarga fue similar a la forma de Li2 CO3 observada en otras baterías basadas en litio. Esas esferas no fueron evidentes en las imágenes de SEM del cátodo de carbono «pristino» tomadas antes de que ocurrieran las reacciones (vea la imagen a continuación).
Otros análisis confirmaron que el sólido depositado en el cátodo era Li2 CO3. Incluía solo materiales derivados del CO 2; No estaban presentes moléculas de amina o productos derivados de ellas. En conjunto, esos datos proporcionan una fuerte evidencia de que la reducción electroquímica de la amina cargada con CO 2 se produce a través de la escisión selectiva del enlace carbono-nitrógeno.
«Se puede pensar que la amina activa efectivamente la reactividad del CO2 «, dice Gallant. “Es emocionante porque la amina que se usa comúnmente en la captura de CO2 puede realizar dos funciones críticas. Puede servir como absorbente, recuperando espontáneamente CO2 de los gases de combustión e incorporándolo a la solución de electrolito. Y puede activar el CO2 para otras reacciones que no serían posibles si la amina no estuviera allí «.
Direcciones futuras
Gallant subraya que el trabajo hasta la fecha representa solo un estudio de prueba de concepto. «Hay mucha ciencia fundamental que entender aún», dice ella, antes de que los investigadores puedan optimizar su sistema.
Ella y su equipo continúan investigando las reacciones químicas que tienen lugar en el electrolito, así como la composición química del aducto que se forma, el «estado reactivo» en el que se realiza la electroquímica posterior. También están examinando el papel detallado de la composición de la sal.
Además, hay preocupaciones prácticas a considerar cuando piensan en el diseño del dispositivo. Un problema persistente es que el depósito sólido obstruye rápidamente el cátodo de carbono, por lo que no pueden ocurrir más reacciones químicas. En una configuración que están investigando, un diseño de batería recargable, el cátodo se descubre durante cada ciclo de descarga y carga. Reacciones durante depósito de descarga del sólido Li2 CO3, y reacciones durante la carga de elevación si fuera poco, poniendo los iones de litio y CO2 de nuevo en el electrólito, listo para reaccionar y generar más electricidad. Sin embargo, el CO2 capturado vuelve a su forma gaseosa original en el electrolito. Sellando la batería se bloquearía ese CO2. en el interior, lejos de la atmósfera, pero solo se puede almacenar tanto CO2 en una batería determinada, por lo que el impacto general del uso de baterías para capturar las emisiones de CO2 se limitaría en este escenario.
La segunda configuración los investigadores están investigando-una descarga de sólo configuración direcciones-ese problema por no permitir nunca que el CO gaseoso 2 para volver a la forma. «Somos ingenieros mecánicos, por lo que lo que realmente nos interesa es desarrollar un proceso industrial en el que se pueda cosechar el sólido de forma mecánica o química», dice Gallant. «Imagínese si por vibración mecánica pudiera eliminar suavemente el sólido del cátodo, manteniéndolo limpio para una reacción sostenida». Colocado dentro de una corriente de escape, tal sistema podría eliminar continuamente las emisiones de CO2 , generando electricidad y tal vez produciendo materiales sólidos valiosos en el Mismo tiempo.
Gallant y su equipo ahora están trabajando en ambas configuraciones de su sistema. «Aún no sabemos qué es mejor para las aplicaciones», dice ella. Mientras que ella cree que la práctica de litio-CO2 baterías están todavía a años de distancia, que está excitado por los primeros resultados, que sugieren que el desarrollo de nuevos electrolitos para pre-activar CO2 podría conducir a CO alternativas 2 caminos de reacción. Y ella y su grupo ya están trabajando en algunos.
Uno de los objetivos es reemplazar el litio con un metal que sea menos costoso y más abundante en la tierra, como el sodio o el calcio. Con el financiamiento inicial de la Iniciativa de Energía MIT, el equipo ya comenzó a buscar un sistema basado en calcio, un material que aún no está bien desarrollado para aplicaciones de baterías. Si la configuración de calcio-CO2 funciona como predice, el sólido que se forma sería el carbonato de calcio, un tipo de roca que ahora se usa ampliamente en la industria de la construcción.
Mientras tanto, Gallant y sus colegas están complacidos de haber encontrado lo que parece ser una nueva clase de reacciones para capturar y secuestrar CO2 . «La conversión de CO2 ha sido ampliamente estudiada durante muchas décadas», dice, «por lo que estamos entusiasmados de pensar que podemos haber encontrado algo diferente y nos brinda una nueva ventana para explorar este tema».
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