A pesar de la disminución de las reservas y de las importantes emisiones de dióxido de carbono (CO2) que contribuyen al cambio climático, los combustibles fósiles siguen siendo la fuente de energía más utilizada en el mundo. Este acuciante problema medioambiental ha llevado a los investigadores a buscar métodos para reducir el CO2 atmosférico. Un enfoque prometedor es la metanación de CO2, un proceso que convierte el CO2 en metano, un combustible más limpio, haciéndolo reaccionar con hidrógeno verde en presencia de un catalizador metálico.
Desafíos de la digestión anaeróbica a baja temperatura
La metanización de CO2 es termodinámicamente más eficiente a temperaturas más bajas, idealmente permitiendo que el calor de la reacción la sostenga. Sin embargo, en la práctica, esta reacción debe realizarse a altas temperaturas, lo que requiere una fuente de calor externa. De hecho, el hidrógeno atómico, formado por la adsorción y disociación de moléculas de hidrógeno en la superficie del catalizador, se inmoviliza y estabiliza en el catalizador, lo que reduce su reactividad y requiere altas temperaturas para superar la barrera energética de la etapa de determinación de la velocidad. Esto plantea problemas como un alto consumo de energía, deposición de carbono en el catalizador y la formación de subproductos no deseados como el monóxido de carbono (CO). Es esencial aprovechar al máximo la reactividad química del hidrógeno atómico para mejorar la metanización del CO2.
Para solucionar estos problemas, un equipo de investigación japonés, dirigido por el profesor Tomohiro Nozaki, del Departamento de Ingeniería Mecánica del Instituto de Ciencias de Tokio, estudió un innovador sistema asistido por plasma que permite la metanización de CO2 a bajas temperaturas con ayuda del PDAH.
Catálisis plasmática
La catálisis por plasma, que combina plasma no térmico (NTP) con catalizadores convencionales soportados en metal, ha recibido recientemente una atención considerable debido a las interacciones sinérgicas que crea entre el plasma y el catalizador. El PNT está formado por electrones a una temperatura mucho más alta que el gas a granel. “ Los estudios han demostrado la metanización del CO2 a bajas temperaturas mediante catálisis de plasma, pero aún falta una comprensión de la dinámica y los mecanismos de la reacción. Además, rara vez se han estudiado la naturaleza y la reactividad del PDAH. », explica Tomohiro Nozaki.
Para comprender la dinámica subyacente de la digestión anaeróbica de CO2 asistida por plasma, el equipo llevó a cabo un estudio detallado utilizando análisis cinético, diagnóstico de plasma láser, caracterización in situ de la superficie del plasma y cálculos de química cuántica. Llevaron a cabo la metanización de CO2 con Ni/Al2O3, como catalizador de metales no preciosos, en un reactor de descarga de barrera dieléctrica (DBD) de lecho empacado. En esta configuración, una mezcla de CO2 e hidrógeno gaseoso se ioniza parcialmente, produciendo NTP y, por lo tanto, PDAH altamente reactivo.
Los investigadores descubrieron que la actividad de la digestión anaeróbica de CO2 en condiciones DBD era alta, incluso a temperaturas inferiores a 300°C. Sorprendentemente, a aproximadamente 230 °C, las tasas de conversión de CO2 en condiciones DBD fueron 11 veces mayores que las obtenidas con catálisis térmica, manteniendo al mismo tiempo la selectividad al metano por encima del 98%. Además, como DBD no calienta el gas producido, evita la formación de subproductos no deseados. Los cálculos de química cuántica revelaron además que el PDAH reduce la barrera energética de los intermedios de reacción al activar la vía de reacción de tipo Eley-Rideal, que facilita la metanización del CO2 a bajas temperaturas.
Perspectivas de futuro
« Nuestro estudio destaca el importante papel del PDAH en la metanización catalítica del CO2. Nuestros resultados también se pueden aplicar a otros procesos de hidrogenación catalítica, incluida la producción de metanol, hidrocarburos y amoníaco. », comenta Tomohiro Nozaki, destacando las posibles aplicaciones.
Además, se espera que el concepto Power-to-X cobre impulso con tecnologías de plasma basadas en energías renovables, que también contribuyen a una sociedad con bajas emisiones de carbono.
En general, este estudio proporciona nuevos conocimientos sobre la digestión anaeróbica de CO2 asistida por plasma, allanando el camino para un reciclaje de CO2 más eficiente y sostenible desde el punto de vista energético.
Leyenda de la ilustración: El hidrógeno atómico derivado del plasma permite la metanización del CO2 tipo Eley-Rideal a bajas temperaturas. Kim y cols. (2024) | JACS Au
Artículo: ‘El hidrógeno atómico derivado del plasma permite la metanación de CO2 de tipo Eley-Rideal a baja temperatura’ / ( 10.1021/jacsau.4c00857 ) – Instituto de Ciencias de Tokio – Publicación en la revista JACS Au / 18-Nov-2024
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