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CIENCIA. Descubren una forma más rápida de reducir nuestra huella de carbono: óxido de cobre e indio

 


Los científicos han establecido un récord para la tasa de conversión de dióxido de carbono a bajas temperaturas mediante óxido de indio modificado con cobre, lo que significa e-combustible sostenible.

Con el cambio climático en constante empeoramiento, existe una necesidad creciente de tecnologías que puedan capturar y utilizar el CO 2 atmosférico (dióxido de carbono) y reducir nuestra huella de carbono. En el ámbito de las energías renovables, los e-combustibles basados ​​en CO 2 han surgido como una tecnología prometedora que intenta convertir el CO 2 atmosférico en combustibles limpios

El proceso implica la producción de gas sintético o gas de síntesis  (una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono (CO)). Con la ayuda de la reacción de desplazamiento inverso agua-gas (RWGS), el CO 2se descompone en el CO necesario para el gas de síntesis. 

Aunque prometedora en su eficiencia de conversión, la reacción RWGS requiere temperaturas increíblemente altas (> 700 ° C) para continuar, al tiempo que genera subproductos no deseados.



Una versión de bucle químico de la reacción de cambio inverso de agua y gas (RWGS-CL) puede ayudar a convertir el CO 2 en CO a temperaturas mucho más bajas sin subproductos indeseables, lo que permite una simple separación de gas. Fuente: Yasushi Sekine de la Universidad de Waseda


EL NUEVO PROCESO

Para abordar estos problemas, los científicos han desarrollado una versión modificada del bucle químico de la reacción RWGS que convierte el CO 2 en CO en base a un método de dos pasos. En primer lugar, el hidrógeno reduce un óxido metálico, utilizado como material de almacenamiento de oxígeno. 

Posteriormente, es re-oxidado por CO 2 , produciendo el CO deseado. 

Este método está libre de subproductos indeseables, simplifica la separación de gases y puede ser factible a temperaturas más bajas dependiendo del óxido elegido. En consecuencia, los científicos han estado buscando materiales de óxido que exhiban altas tasas de oxidación-reducción sin requerir altas temperaturas.

En un estudio reciente publicado en Chemical Science, científicos de la Universidad de Waseda y ENEOS Corporation en Japón, han revelado que un nuevo óxido de indio modificado con cobre (Cu-In 2 O 3 ) exhibe una tasa récord de conversión de CO 2 de 10 mmolh . 1 g -1 a temperaturas relativamente moderadas (400–500 ° C), lo que lo convierte en un pionero entre los materiales de almacenamiento de oxígeno necesarios para la conversión de CO 2 a baja temperatura 

Para comprender mejor este comportamiento, el equipo investigó las propiedades estructurales del óxido de Cu-In junto con la cinética involucrada en la reacción RWGS de bucle químico.


Tasas de conversión récord de CO2 a temperaturas relativamente bajas en una versión modificada de bucle químico de RWGS que utiliza un novedoso óxido de cobre-indio. Fuente: Universidad de Waseda


Los científicos llevaron a cabo análisis basados ​​en rayos X y encontraron que la muestra inicialmente contenía un material parental, Cu 2 In 2 O 5 , que primero se redujo con hidrógeno para formar una aleación de Cu-In y óxido de indio (In 2 O 3 ) y luego se oxida por CO 2 para producir Cu-In 2 O 3y CO. 

Los datos de rayos X revelaron además que experimentó oxidación y reducción durante la reacción, proporcionando la pista clave. 

"Las mediciones de rayos X dejaron en claro que la reacción RWGS en bucle químico se basa en la reducción y oxidación del indio, lo que conduce a la formación y oxidación de la aleación de Cu-In", explica el profesor Yasushi Sekine de la Universidad de Waseda, quien dirigió el estudio.

Las investigaciones cinéticas proporcionaron más información sobre la reacción. El paso de reducción reveló que el Cu era responsable de la reducción del óxido de indio a bajas temperaturas, mientras que el paso de oxidación mostró que la superficie de la aleación Cu-In conservaba un estado muy reducido mientras que su volumen se oxidaba. Esto permitió que la oxidación ocurriera dos veces más rápido que la de otros óxidos. El equipo atribuyó este peculiar comportamiento de oxidación a una rápida migración de iones de oxígeno cargados negativamente desde la superficie de la aleación Cu-In a su masa, lo que ayudó a la oxidación en masa preferencial.

Como era de esperar, los resultados entusiasmaron a los científicos sobre las perspectivas futuras de los óxidos de cobre e indio. Dada la situación actual con las emisiones de carbono y el calentamiento global, se desea mucho un proceso de captura y conversión de dióxido de carbono de alto rendimiento a bajas temperaturas.

Aunque la reacción RWGS en bucle químico funciona bien con muchos materiales de óxido, el novedoso Cu-In-óxido muestra un rendimiento notablemente más alto que cualquiera de ellos. Se espera que esto contribuya de manera significativa a reducir nuestra huella de carbono y a impulsar a la humanidad hacia un futuro más sostenible.

Fuente: “Fast oxygen ion migration in Cu–In–oxide bulk and its utilization for effective CO2 conversion at lower temperature” by Jun-Ichiro Makiura, Takuma Higo, Yutaro Kurosawa, Kota Murakami, Shuhei Ogo, Hideaki Tsuneki, Yasushi Hashimoto, Yasushi Satob and Yasushi Sekine, 23 December 2020, Chemical ScienceDOI: 10.1039/d0sc05340f

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