Catalizador transforma CO2 en combustible limpio de forma rápida y económica

Un equipo de científicos liderado por Dr. Kee Young Koo del Departamento de Investigación de Hidrógeno del Korea Institute of Energy Research (KIER) creó un catalizador de vanguardia capaz de transformar el dióxido de carbono (CO2), un importante gas de efecto invernadero, en un ingrediente esencial para la producción de combustibles ecológicos.

La reacción de desplazamiento de agua-gas inversa (RWGS) es un proceso químico que convierte el CO2 en monóxido de carbono (CO) y agua (H2O) al reaccionar con hidrógeno (H2) en un reactor. El CO resultante puede combinarse con hidrógeno para producir gas de síntesis, un componente fundamental utilizado para fabricar combustibles sintéticos como los e-fuels y el metanol. Debido a su capacidad para reciclar CO2 en componentes de combustible utilizables, la reacción RWGS se considera una vía prometedora para avanzar en la producción de energía sostenible.

Superando los límites de los catalizadores convencionales

Tradicionalmente, la reacción RWGS opera mejor a temperaturas superiores a 800 °C. Los catalizadores a base de níquel son comúnmente utilizados porque pueden soportar tales temperaturas, pero pierden rendimiento con el tiempo a medida que las partículas se agrupan, reduciendo la superficie y la eficiencia. Operar a temperaturas más bajas evita este problema, pero también conduce a la formación de subproductos no deseados como el metano, disminuyendo la producción de monóxido de carbono.

Para hacer el proceso más eficiente y asequible, los investigadores han estado buscando catalizadores que mantengan una alta actividad en condiciones de baja temperatura. El equipo del KIER logró esto desarrollando un nuevo catalizador a base de cobre que ofrece resultados sobresalientes a solo 400 °C.

Un avance en el diseño de catalizadores de cobre

El nuevo catalizador de óxido mixto de cobre-magnesio-hierro superó a los catalizadores comerciales de cobre, produciendo monóxido de carbono 1.7 veces más rápido y con un rendimiento 1.5 veces mayor a 400 °C.

Los catalizadores de cobre tienen una ventaja clave sobre el níquel: pueden producir selectivamente solo monóxido de carbono a temperaturas inferiores a 400 °C sin formar metano. Sin embargo, la estabilidad térmica del cobre típicamente se debilita cerca de esa temperatura, lo que lleva a la aglomeración de partículas y pérdida de actividad.

Para resolver este desafío, el equipo del Dr. Koo incorporó una estructura de hidróxido doble en capas (LDH) en su diseño. Esta estructura en capas contiene láminas metálicas delgadas con moléculas de agua y aniones entre ellas. Al ajustar la proporción y el tipo de iones metálicos, los investigadores afinaron las características físicas y químicas del catalizador. La adición de hierro y magnesio ayudó a llenar los espacios entre las partículas de cobre, evitando efectivamente la agrupación y mejorando la resistencia al calor.

El análisis en tiempo real por infrarrojos y las pruebas de reacción revelaron por qué el nuevo catalizador tiene un rendimiento tan destacado. Los catalizadores de cobre convencionales convierten el CO2 en monóxido de carbono a través de compuestos intermedios llamados formiatos. Sin embargo, el nuevo material evita completamente estos intermedios, convirtiendo el CO2 directamente en CO en su superficie. Al evitar reacciones secundarias que producen metano u otros subproductos, el catalizador mantiene una alta actividad incluso a una temperatura relativamente baja de 400 °C.

Rendimiento récord y significado global

A 400 °C, el catalizador logró un rendimiento de monóxido de carbono del 33.4% y una tasa de formación de 223.7 micromoles por gramo de catalizador por segundo (µmol·g_cat^-1·s_-1), manteniendo la estabilidad durante más de 100 horas continuas. Estos resultados representan una tasa de formación 1.7 veces mayor y un rendimiento 1.5 veces superior en comparación con los catalizadores de cobre estándar. En comparación con los catalizadores a base de platino, que son costosos pero altamente activos, el nuevo catalizador aún superó a estos con una tasa de formación 2.2 veces más rápida y un rendimiento 1.8 veces mayor. Esto lo coloca entre los catalizadores de conversión de CO2 de mejor rendimiento en el mundo.

"La tecnología del catalizador de hidrogenación de CO2 a baja temperatura es un logro innovador que permite la producción eficiente de monóxido de carbono utilizando metales abundantes y económicos", afirmó Dr. Kee Young Koo, el investigador principal del proyecto. "Puede aplicarse directamente a la producción de materias primas clave para combustibles sintéticos sostenibles. En el futuro, continuaremos nuestra investigación para expandir su aplicación a entornos industriales reales, contribuyendo así a la realización de la neutralidad de carbono y la comercialización de tecnologías de producción de combustibles sintéticos sostenibles."

Notas

* Los e-fuels son combustibles sintéticos producidos al combinar hidrógeno verde, generado con electricidad renovable, y CO2 capturado de la atmósfera o biomasa sostenible. Están emergiendo como una alternativa prometedora a los combustibles fósiles convencionales, especialmente para sectores difíciles de descarbonizar como la aviación y el transporte marítimo.

Los hallazgos de la investigación se publicaron en línea en mayo de 2025 en Applied Catalysis B: Environmental and Energy, una revista líder en el campo de la catálisis energética y ambiental. El estudio fue apoyado por el proyecto de I+D del KIER, "Desarrollo de tecnología de producción de e-SAF (combustible de aviación sostenible) a partir de dióxido de carbono e hidrógeno".