Un equipo de científicos dirigido por el Dr. Ki Yong-ku del Departamento de Investigación de Hidrógeno del Instituto Coreano de Investigación Energética (Presidente Yi Chang-keun, en lo sucesivo denominado KIER) ha desarrollado un catalizador líder en el mundo capaz de convertir el dióxido de carbono, un importante gas de efecto invernadero, en un ingrediente esencial para los ecoamigos.
La reacción de desplazamiento inverso agua-gas (RWGS) es un proceso químico que convierte el dióxido de carbono (CO)2) en monóxido de carbono (CO) y agua (H2O) reacciona con hidrógeno (H2) en un reactor. El monóxido de carbono resultante se puede combinar con hidrógeno para crear gas de síntesis, un componente básico utilizado para fabricar combustibles sintéticos como el combustible electrónico* y el metanol. Debido a la capacidad de reciclar CO2 En materiales combustibles utilizables, la reacción RWGS se considera una ruta prometedora para el avance de la producción de energía sostenible.
Superando los límites de los catalizadores convencionales
Tradicionalmente, las reacciones RWGS funcionan mejor a temperaturas superiores a 800°C. Los catalizadores a base de níquel se utilizan a menudo porque pueden soportar ese calor, pero reducen el área de superficie y la eficiencia a medida que las partículas se agrupan. Operar a temperaturas más bajas evita este problema, pero conduce a la formación de subproductos no deseados como el metano, lo que reduce la producción de monóxido de carbono.
Para que el proceso sea más eficiente y rentable, los investigadores buscan catalizadores que sean muy activos en condiciones de baja temperatura. El equipo de KIER ha logrado desarrollar un nuevo catalizador a base de cobre que proporciona resultados excepcionales a tan solo 400 °C.
Un avance en el diseño de catalizadores de cobre
El catalizador de óxido mixto de cobre, magnesio y hierro recientemente diseñado superó a los catalizadores de cobre comerciales, 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 sólo monóxido de carbono a temperaturas inferiores a 400 °C sin formar metano. Sin embargo, la estabilidad térmica del cobre generalmente se debilita cerca de esa temperatura, lo que resulta en una reducción de la composición y actividad de las partículas.
Para abordar este desafío, el equipo del Dr. Ku incorporó una estructura de doble hidróxido (LDH) en capas en su diseño. Esta estructura en capas consta de finas láminas de metal que contienen moléculas de agua y aniones. Al ajustar la proporción y el tipo de iones metálicos, los investigadores ajustaron las propiedades físicas y químicas del catalizador. La adición de hierro y magnesio ayuda a llenar los espacios entre las partículas de cobre, evitando eficazmente la formación de grumos y mejorando la resistencia al calor.
Los análisis de infrarrojos en tiempo real y los experimentos de reacción revelaron por qué el nuevo catalizador funciona tan bien. Los catalizadores de cobre convencionales convierten el CO2 El monóxido de carbono ingresa a través de un compuesto intermedio llamado formiato. El nuevo material, sin embargo, evita por completo estos intermediarios, convirtiendo el CO2 directamente sobre la superficie de CO. Debido a que evita reacciones secundarias que producen metano u otros subproductos, el catalizador mantiene una alta actividad incluso a temperaturas relativamente bajas de 400°C.
Rendimiento récord y importancia global
A 400 °C, el catalizador logró un rendimiento de monóxido de carbono del 33,4 % y una velocidad de formación de 223,7 micromoles por segundo (μmol·gcat⁻¹·s⁻¹), manteniendo la estabilidad durante más de 100 horas. Estos resultados representan una tasa de formación 1,7 veces mayor y un rendimiento 1,5 veces mayor que el catalizador de cobre estándar. En comparación con los catalizadores a base de platino, que son caros pero muy activos, el nuevo catalizador aún los superó con una tasa de formación 2,2 veces más rápida y un rendimiento 1,8 veces mayor. Esto lo coloca entre los CO con mejor desempeño.2 Catalizador de la transformación del mundo.
“CO a baja temperatura2 La tecnología del catalizador de hidrogenación es un gran avance que permite la producción eficiente de monóxido de carbono utilizando metales baratos y abundantes”, afirmó el Dr. Ki Yong Koo, investigador principal del proyecto. “Se puede aplicar directamente a la producción de materias primas clave para combustibles sintéticos sostenibles. En el futuro, continuaremos nuestra investigación para ampliar su aplicación en entornos industriales reales, contribuyendo así a la realización de la neutralidad de carbono y la comercialización de tecnologías sostenibles de producción de combustibles sintéticos”.
Nota
* Los combustibles electrónicos son combustibles sintéticos producidos combinando hidrógeno verde, generado con electricidad renovable, y captura de CO.2 de la atmósfera o biomasa sostenible. Están surgiendo como una alternativa prometedora a los combustibles fósiles convencionales, especialmente para sectores difíciles de descarbonizar, como la aviación y el transporte marítimo.
Los resultados del estudio se publicaron en línea en mayo de 2025. Catálisis Aplicada B: Medio Ambiente y EnergíaRevista líder en el campo de la catálisis energética y medioambiental. La investigación contó con el apoyo del proyecto de I+D de KIER, “Desarrollo de tecnología de producción de E-SAF (combustible de aviación sostenible) a partir de dióxido de carbono e hidrógeno”.
