Separadores porosos mejoran la eficiencia de electrolizadores en reducción de CO

Los electrolizadores, dispositivos que utilizan electricidad para impulsar reacciones químicas deseadas, podrían permitir la producción de hidrógeno limpio (H₂) a partir de agua (H₂O) y la conversión de dióxido de carbono (CO₂) en combustibles útiles o productos químicos industriales. En el caso de la reducción de CO₂, este gas de efecto invernadero puede ser convertido primero en monóxido de carbono (CO) y luego procesado para obtener compuestos deseados.

La mayoría de los electrolizadores existentes consisten en un cátodo (es decir, el sitio donde los electrones ingresan y impulsan la reducción de compuestos) y un ánodo (es decir, el sitio donde los electrones salen y ocurre la oxidación). Estas dos capas están divididas por un separador, un material que permite el movimiento de iones entre las otras dos capas.

En la mayoría de los electrolizadores convencionales, este separador es una membrana selectiva de carga, una barrera que permite principalmente el paso de un tipo de ion cargado, mientras captura a los demás. Aunque estas membranas han sido ampliamente utilizadas hasta ahora, se sabe que ralentizan el transporte de partículas cargadas (es decir, iones) en los electrolizadores, lo que puede limitar su eficiencia energética.

Investigadores de la Universidad de Toronto demostraron recientemente el potencial de sustituir las membranas selectivas de carga por separadores porosos, materiales delgados con pequeños agujeros que permiten un movimiento más libre de iones positivos y negativos. Su artículo, publicado en Nature Energy, muestra que los separadores porosos pueden mejorar la eficiencia energética y las tasas de conversión de los electrolizadores para la reducción de CO en etileno y otros productos basados en carbono deseados.

"Durante años, los electrolizadores de CO se han visto limitados a menos del 40%, lo que representa una barrera importante para hacer viable la tecnología a gran escala", afirmó Rui Kai Miao, primer autor del artículo, en una entrevista con Tech Xplore. "Estos sistemas típicamente utilizan membranas de intercambio aniónico (AEM), materiales diseñados para permitir el paso de iones cargados negativamente mientras mantienen los gases separados. En teoría, eso es ideal, pero en la práctica, las AEM siguen siendo relativamente inmaduras y tienden a causar altas pérdidas de voltaje. Comenzamos a hacernos una pregunta simple: ¿Por qué necesitamos una membrana selectiva de carga en absoluto?"

Miao y sus colegas comenzaron a explorar la idea de que lo que realmente necesitaban era una barrera física que impida la transferencia de gas entre los dos electrodos (es decir, cátodo y ánodo) dentro de un electrolito. Si bien esta no es una idea nueva, se había aplicado anteriormente principalmente a electrolizadores de agua alcalina, en lugar de sistemas para la reducción de CO o CO₂.

"Una vez que revisamos esta suposición básica, se abrió un nuevo espacio de diseño", explicó Miao. "En un electrolizador de CO, tomamos monóxido de carbono (CO), que puede ser producido aguas arriba a partir de CO₂ utilizando tecnología madura, y lo convertimos en moléculas más complejas como etileno utilizando electricidad y agua. Esencialmente, esta es una forma de convertir electricidad renovable en energía química, capturando carbono en una forma útil."

El diseño del equipo retiene la estructura de tres capas original de los electrolizadores. Su sistema propuesto consiste, por lo tanto, en un cátodo en el que se reduce el CO, un ánodo donde se oxida el agua y un separador entre ellos.

"La diferencia clave es que nuestro separador es no cargado y poroso en lugar de selectivo de iones", dijo Miao. "Esto permite que los iones se muevan más libremente, reduce la resistencia eléctrica y hace que toda la celda funcione de manera más eficiente y estable."

Inicialmente, Miao y sus colegas probaron varios materiales de separador que fueron diseñados originalmente para ser integrados en electrolizadores de agua alcalina. Desafortunadamente, encontraron que cuando implementaron directamente estos materiales en su sistema para la reducción de CO, no mejoraron mucho su rendimiento.

"Cuando medimos sus propiedades—grosor y porosidad—descubrimos que eran densos y relativamente gruesos, lo que ralentiza el transporte de iones", explicó Miao. "En la electrólisis de agua alcalina, estas propiedades ayudan a limitar el cruce de hidrógeno, porque el H₂ se difunde muy rápidamente en el agua. En la electrólisis de CO, las especies clave—CO (reactante) y etileno (producto)—se difunden mucho más lentamente que el H₂. Eso nos dio espacio para repensar el separador, y comenzamos a probar materiales que son porosos y delgados."

Finalmente, los investigadores descubrieron que los materiales porosos redujeron el voltaje de su celda electrolizadora y mejoraron su rendimiento. De hecho, lograron alcanzar una eficiencia energética del 51% para la reducción de CO en productos químicos de múltiples carbonos, con el electrolizador funcionando de manera confiable durante 250 horas.

"Dado que los separadores porosos que utilizamos también son muy estables químicamente, pudimos operar los electrolizadores a temperaturas más altas, reduciendo aún más el voltaje de la celda y durante más tiempo", dijo Miao. "Ahora estamos adoptando separadores porosos y no cargados en todos nuestros proyectos. Son económicos, robustos y fáciles de manejar, y—crucialmente—podemos ajustar la porosidad, el grosor y el tamaño de los poros para controlar el transporte de iones y el entorno de reacción local para diferentes productos objetivo."

En el futuro, este estudio reciente podría inspirar a otros ingenieros de energía a desarrollar electrolizadores con separadores porosos, en lugar de membranas de transporte selectivas de iones. Mientras tanto, Miao y sus colegas planean utilizar un enfoque similar para mejorar el rendimiento de otros electrolizadores o soluciones energéticas que podrían beneficiarse de un mejor transporte de iones.

"Ya estamos extendiendo nuestro enfoque a la reducción de CO₂ y vías electrosintéticas relacionadas", agregó Miao. "También estamos trabajando en escalar estos electrolizadores basados en separadores. Al escalar, estos separadores ofrecen ventajas prácticas muy importantes. A diferencia de muchas membranas selectivas de carga que requieren una hidratación cuidadosa y pueden ser mecánicamente frágiles, los separadores pueden ensamblarse en seco o húmedo, son estructuralmente fuertes y simplifican el ensamblaje de pilas.

"Eso nos ayuda a reducir fallas de ensamblaje a medida que avanzamos hacia áreas activas más grandes y pilas de múltiples celdas, mientras buscamos una operación de mayor duración e integración con energía renovable intermitente."

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