Ingenieros de la Universidad de Delaware (UD) han demostrado una forma de capturar de forma eficaz el 99 % del dióxido de carbono del aire utilizando un novedoso sistema electroquímico alimentado por hidrógeno.
por Karen B. Roberts, Universidad de Delaware
Es un avance significativo para la captura de dióxido de carbono y podría acercar al mercado pilas de combustible más respetuosas con el medio ambiente.
El equipo de investigación, dirigido por el profesor de la UD Yushan Yan, informó su método en Nature Energy el jueves 3 de febrero.
Tecnología revolucionaria para la eficiencia de las pilas de combustible
Las pilas de combustible funcionan convirtiendo la energía química del combustible directamente en electricidad. Se pueden usar en el transporte para cosas como vehículos híbridos o de cero emisiones.
Yan, presidente Henry Belin du Pont de Ingeniería Química y Biomolecular en la UD, ha estado trabajando durante algún tiempo para mejorar las celdas de combustible de membrana de intercambio de hidróxido (HEM), una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente a las tradicionales celdas de combustible a base de ácido que se utilizan en la actualidad.
Pero las celdas de combustible HEM tienen una deficiencia que las mantiene fuera de la carretera: son extremadamente sensibles al dióxido de carbono en el aire. Esencialmente, el dióxido de carbono dificulta la respiración de una celda de combustible HEM .
Este defecto reduce rápidamente el rendimiento y la eficiencia de la celda de combustible hasta en un 20 %, lo que hace que la celda de combustible no sea mejor que un motor de gasolina. El grupo de investigación de Yan ha estado buscando una solución para este enigma del dióxido de carbono durante más de 15 años.
Hace unos años, los investigadores se dieron cuenta de que esta desventaja podría ser una solución para la eliminación del dióxido de carbono.
«Una vez que profundizamos en el mecanismo, nos dimos cuenta de que las celdas de combustible estaban capturando casi todo el dióxido de carbono que entraba en ellas, y eran realmente buenos para separarlo en el otro lado», dijo Brian Setzler, profesor asistente de investigación en ingeniería química y biomolecular y coautor del artículo.
Si bien esto no es bueno para la celda de combustible, el equipo sabía que si podían aprovechar este proceso de «autopurga» incorporado en un dispositivo separado aguas arriba de la pila de celdas de combustible, podrían convertirlo en un separador de dióxido de carbono.
«Resulta que nuestro enfoque es muy efectivo. Podemos capturar el 99% del dióxido de carbono del aire en una sola pasada si tenemos el diseño y la configuración correctos», dijo Yan.
Entonces, ¿cómo lo hicieron?
Encontraron una forma de incorporar la fuente de energía para la tecnología electroquímica dentro de la membrana de separación. El enfoque implicó cortocircuitar internamente el dispositivo.
«Es arriesgado, pero logramos controlar esta celda de combustible en cortocircuito con hidrógeno. Y mediante el uso de esta membrana eléctrica interna en cortocircuito, pudimos deshacernos de los componentes voluminosos, como las placas bipolares, los colectores de corriente o los cables eléctricos típicos». encontrado en una pila de celdas de combustible», dijo Lin Shi, candidato a doctorado en el grupo Yan y autor principal del artículo.
Ahora, el equipo de investigación tenía un dispositivo electroquímico que parecía una membrana de filtración normal hecha para separar gases, pero con la capacidad de recoger continuamente cantidades diminutas de dióxido de carbono del aire como un sistema electroquímico más complicado.
En efecto, incrustar los cables del dispositivo dentro de la membrana creó un atajo que facilitó que las partículas de dióxido de carbono viajaran de un lado al otro. También permitió al equipo construir un módulo espiral compacto con una gran superficie en un volumen pequeño. En otras palabras, ahora tienen un paquete más pequeño capaz de filtrar mayores cantidades de aire a la vez, lo que lo hace efectivo y rentable para aplicaciones de celdas de combustible. Mientras tanto, menos componentes significan menos costo y, lo que es más importante, brindan una forma de escalar fácilmente para el mercado.
Los resultados del equipo de investigación mostraron que una celda electroquímica que mide 2 pulgadas por 2 pulgadas podría eliminar continuamente alrededor del 99% del dióxido de carbono que se encuentra en el aire que fluye a una velocidad de aproximadamente dos litros por minuto. Un prototipo de dispositivo en espiral temprano del tamaño de una lata de refresco de 12 onzas es capaz de filtrar 10 litros de aire por minuto y eliminar el 98% del dióxido de carbono, dijeron los investigadores.
Escalado para una aplicación automotriz, el dispositivo tendría aproximadamente el tamaño de un galón de leche, dijo Setzler, pero el dispositivo también podría usarse para eliminar el dióxido de carbono en otros lugares. Por ejemplo, la tecnología patentada por UD podría habilitar dispositivos de eliminación de dióxido de carbono más livianos y eficientes en naves espaciales o submarinos, donde la filtración continua es fundamental.
«Tenemos algunas ideas para una hoja de ruta a largo plazo que realmente nos puede ayudar a llegar allí», dijo Setzler.
Según Shi, dado que el sistema electroquímico funciona con hidrógeno, a medida que se desarrolla la economía del hidrógeno, este dispositivo electroquímico también podría usarse en aviones y edificios donde se desea la recirculación del aire como medida de ahorro de energía. A fines de este mes, luego de la defensa de su tesis, Shi se unirá a Versogen, una empresa derivada de UD fundada por Yan, para continuar avanzando en la investigación hacia el hidrógeno verde sostenible.
Los coautores del artículo del laboratorio Yan incluyen a Yun Zhao, coautor principal e investigador asociado, quien realizó un trabajo experimental esencial para probar el dispositivo; Stephanie Matz, estudiante de doctorado que contribuyó al diseño y fabricación del módulo en espiral, y Shimshon Gottesfeld, profesor adjunto de ingeniería química y biomolecular en la UD. Gottesfeld fue el investigador principal del proyecto de 2019, financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), que condujo a los hallazgos.
