El proceso de conversión de dióxido de carbono respetuoso con el medio ambiente puede revolucionar el método existente
mayo 26, 2021Según científicos e ingenieros, se ha desarrollado un nuevo proceso ecológico de un solo paso para convertir el dióxido de carbono en hidrocarburos superiores utilizando plasma.
La conversión de dióxido de carbono en combustibles líquidos utilizables y productos químicos de valor agregado como los plásticos ofrece no solo una posible solución para reducir las emisiones de dióxido de carbono, sino también el potencial para aliviar la dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, la conversión de dióxido de carbono a través de catálisis, una aceleración de una reacción química, normalmente requiere varios pasos y alta temperatura (alrededor de 400-750 grados Fahrenheit) y alta presión (150-600 libras por pulgada cuadrada), condiciones que requieren una mucha energía para crear. Encontrar una mejor manera de convertir el dióxido de carbono residual en condiciones suaves sigue siendo un desafío importante en la catálisis.
Es posible que investigadores de Penn State, la Universidad China de Hong Kong y la Universidad de Sichuan hayan encontrado una solución. El equipo desarrolló un proceso catalítico de un solo paso habilitado por plasma para convertir el dióxido de carbono en hidrocarburos superiores. A diferencia de los procesos tradicionales, este método de hidrogenación se usa a baja temperatura (75 grados Fahrenheit) y presión (15 libras por pulgada cuadrada) usando un reactor de plasma de lecho empacado con descarga de barrera dieléctrica.
El componente clave para hacer que este nuevo proceso funcione es la adición de plasma no térmico, que proporciona un medio distintivo de realizar la conversión catalítica a bajas temperaturas debido a sus características de desequilibrio, dijeron los científicos.
Representación 3D de una esfera de energía y plasma en el núcleo de un reactor.
«Hay una gran cantidad de electrones de alta energía en la fase de plasma», dijo Xiaoxing Wang, profesor de investigación asociado en el Penn State EMS Energy Institute. «Estos electrones pueden activar moléculas de dióxido de carbono e hidrógeno en la fase gaseosa mediante excitación y disociación sin la necesidad de adsorción y activación superficial como se requiere para la catálisis térmica tradicional, por lo que la reacción se puede realizar a baja temperatura».
El propio plasma puede permitir la hidrogenación de dióxido de carbono a monóxido de carbono a temperatura ambiente. Aunque se han estudiado previamente varios catalizadores para la hidrogenación catalítica por plasma de dióxido de carbono, estos experimentos produjeron solo monóxido de carbono y metano, con una sola proporción que muestra aproximadamente un 14% más de selectividad de hidrocarburos. Este nuevo estudio es la primera vez que este proceso ha producido un aumento de la selectividad de hidrocarburos del 46% con una tasa de conversión de carbono del 74%.
Este trabajo, publicado recientemente en Green Chemistry, muestra el impacto sustancial de la configuración del lecho catalítico en la hidrogenación del dióxido de carbono catalítico del plasma a hidrocarburos superiores en un solo paso a baja temperatura y presión atmosférica, dijeron los científicos.
Actualmente, los investigadores están utilizando un catalizador Fisher-Tropsch convencional soportado por óxido de aluminio para el proceso. Creen que el método se puede mejorar aún más y están desarrollando un catalizador aún más eficaz al explorar cómo el plasma contribuye a la conversión de dióxido de carbono y la formación de hidrocarburos en el proceso catalítico de dos lechos habilitado por plasma.
«La conversión de dióxido de carbono está abordando el desafío del cambio climático», dijo Wang. “Necesitamos hacer algo para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Si podemos volver a convertir el dióxido de carbono en combustible, cerramos el ciclo del carbono y hacemos que todo el proceso sea mucho más sostenible y ecológico. Este trabajo aporta una nueva estrategia para el desarrollo de nuevos procesos de hidrogenación de dióxido de carbono a baja temperatura y presión ”.
Los investigadores de Penn State que participaron en este estudio fueron Sven G. Bilén, profesor de diseño de ingeniería, ingeniería eléctrica e ingeniería aeroespacial; Sean D. Knecht, profesor asistente de diseño de ingeniería; Jiajie Wang, estudiante graduada visitante; y Mohammad S. AlQahtani, estudiante de posgrado.
Otros investigadores incluyeron a Chunshan Song, un distinguido profesor emérito de Penn State y decano de la facultad de ciencias de la Universidad China de Hong Kong; Wei Lun, profesor de química en la Universidad China de Hong Kong; y Wei Chu, profesor de ingeniería química de la Universidad de Sichuan.
Una subvención inicial del Instituto de Energía EMS de Penn State proporcionó fondos para esta investigación.
