¿Qué pasaría si una máquina pudiera absorber dióxido de carbono de la atmósfera, someterlo a una serie de reacciones químicas y, en esencia, producir plástico útil para la industria?
«Creo que esto es algo que, como sociedad, nos interesaría. Después de todo, además de ser un gas de efecto invernadero, el dióxido de carbono es una materia prima abundante y económica», afirma Theo Agapie (doctorado en 2007), profesor de Química John Stauffer y director ejecutivo de Química en Caltech. «Con nuestro nuevo trabajo, hemos dado un paso significativo en esa dirección».
En un informe publicado en la revista Angewandte Chemie International Edition , Agapie y un equipo de químicos de Caltech desarrollaron un sistema que utiliza electricidad procedente de fuentes sostenibles para llevar a cabo la conversión química del dióxido de carbono (CO2) en moléculas, como el etileno y el monóxido de carbono, que son útiles para fabricar compuestos más complejos. Cuando esto se logra utilizando la luz como fuente de energía, sin plantas, dicho proceso se conoce como fotosíntesis artificial. El nuevo sistema alimenta el etileno y el monóxido de carbono generados a un segundo bucle catalítico que produce plásticos industrialmente útiles llamados policetonas, que son conocidos por su resistencia, durabilidad y estabilidad térmica, lo que los hace ideales para aplicaciones que van desde adhesivos hasta piezas de automóviles y desde equipos deportivos hasta tuberías industriales.
«Hemos demostrado que se puede utilizar CO2 para fabricar un material útil sin usar plantas como mediadoras», dice el autor principal Max Zhelyabovskiy (MS ’24), un estudiante de posgrado en el laboratorio de Agapie que fue co-tutorizado en el proyecto por Jonas C. Peters , Profesor Bren de Química de Caltech y director del Instituto de Sostenibilidad Resnick .
El equipo dirigido por Caltech no es el primero en construir un sistema que intenta combinar la reducción de CO2 con una segunda reacción química para producir polímeros. Sin embargo, sistemas anteriores han añadido etileno procedente de productos derivados del petróleo, en lugar de derivarlo del dióxido de carbono y el agua.
La conversión de CO2 a plástico ha sido un desafío por diversas razones. Entre ellas, el hecho de que los sistemas electroquímicos de reducción de CO2 anteriores han producido muy poco etileno y monóxido de carbono, los reactivos necesarios para alimentar el segundo paso de la conversión a policetonas. De hecho, la mayoría ha producido concentraciones inferiores al 5 % de estos compuestos deseados, junto con otras sustancias químicas no deseadas que pueden perjudicar los procesos posteriores.
«Ha sido difícil, al menos a escala de laboratorio, obtener corrientes de reactivos de alta concentración y pureza que luego puedan convertirse en algo como un plástico o un combustible», afirma Zhelyabovskiy. Pero el sistema que ayudó a desarrollar alcanza concentraciones significativamente más altas: 11 % de etileno y 14 % de monóxido de carbono.
Pero ese no es el único desafío. Combinar los dos sistemas —uno para la reducción de CO2 y otro para la catálisis subsiguiente— no es trivial, afirma Zhelyabovskiy. «La mayoría de los trabajos publicados se centran en el primer o el segundo paso, por separado y con materias primas puras. No en ambos».
Un sistema de dos pasos
Al reconocer los entornos enormemente diferentes necesarios para que la reducción de CO2 y el paso catalítico secundario funcionen con alta eficiencia, el equipo de Caltech ideó un sistema que presenta dos circuitos distintos para las reacciones separadas.
Para el primer ciclo, el sistema comienza con celdas de electrodos de difusión de gas, polímeros hidrofóbicos recubiertos con una fina capa de cobre. Los científicos bombean CO2 a un cilindro de gas conectado a las celdas y hacen fluir un electrolito de bicarbonato de potasio a través de ellas, mientras aplican voltaje a los electrodos. Al pasar los gases por este sistema electroquímico varias veces, logran generar concentraciones relativamente altas de etileno y monóxido de carbono.
Tras aproximadamente una hora de acumulación de estos gases, los investigadores introducen el etileno y el monóxido de carbono en la segunda etapa: un reactor cerrado donde se burbujean los gases a través de una solución de catalizador de paladio. Como un burbujeador en una pecera, este proceso enriquece la solución con etileno y monóxido de carbono. Y el catalizador, conocido como catalizador de copolimerización, impulsa la formación eficiente de un polímero —en este caso, una policetona— a partir de los dos monómeros.
Un catalizador que cumple su función en condiciones laborales
Normalmente, los catalizadores se prueban en condiciones prístinas que no necesariamente representan los entornos a los que están expuestos durante la reducción electroquímica de CO₂. Por ejemplo, si bien el vapor de agua es muy perjudicial para muchos catalizadores de polimerización, el agua es un componente necesario de la reducción de CO₂, por lo que su introducción es inevitable. En el nuevo trabajo, Agapie, Peters y sus colegas han demostrado que el catalizador de paladio puede utilizarse incluso en presencia de contaminantes introducidos durante la reducción de CO₂, incluyendo no solo vapor de agua, sino también hidrógeno, CO₂ sin reaccionar, vapores de alcohol y otros intermediarios químicos.
Zhelyabovskiy afirma que el nuevo sistema y la técnica necesitan perfeccionarse. Por ejemplo, aún no produce policetonas con los mismos pesos moleculares que las obtenidas de forma estándar. Sin embargo, añade: «Al demostrar que es posible, podríamos aumentar el interés en este campo, y tal vez se pueda desarrollar este principio». Agapie señala que para que este proceso conduzca a una tecnología sostenible y práctica, la electricidad debe provenir de fuentes renovables y neutrales en carbono, y debe ser lo suficientemente económica como para competir con las fuentes de petróleo.
Los autores adicionales del artículo, «Plástico a partir de CO2, agua y electricidad: reducción electroquímica en tándem de CO2 y copolimerización termoquímica de etileno-CO», son Hyuk-Joon Jung y Paula L. Diaconescu de UCLA.
El proyecto se basó en el trabajo de la Liquid Sunlight Alliance (LiSA), un centro energético respaldado por el Departamento de Energía de EE. UU. que combina la experiencia y los esfuerzos de científicos de Caltech, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Stanford y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, junto con universidades asociadas de UC Irvine, UC San Diego y la Universidad de Oregón. El equipo de UCLA recibió financiación adicional de la Fundación Nacional de Ciencias. Caltech News. K. F. Traducido al español
