Un par de investigadores de la Universidad de Florida Central ha desarrollado nuevos métodos para producir energía y materiales a partir del gas de efecto invernadero nocivo, el metano.
por Kathleen Snoeblen, Universidad de Florida Central
Libra por libra, el impacto comparativo del metano en la atmósfera terrestre es 28 veces mayor que el del dióxido de carbono , otro importante gas de efecto invernadero, durante un período de 100 años, según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU.
Esto se debe a que el metano es más eficiente para atrapar las radiaciones, a pesar de tener una vida útil más corta en la atmósfera que el dióxido de carbono.
Las principales fuentes de emisiones de metano incluyen la energía y la industria, la agricultura y los vertederos.
Las nuevas innovaciones de UCF permiten que el metano se use en la producción de energía verde y para crear materiales de alto rendimiento para dispositivos inteligentes, biotecnología, células solares y más.
Los inventos provienen de la nanotecnóloga Laurene Tetard y del experto en catálisis Richard Blair, quienes han sido colaboradores de investigación en UCF durante los últimos 10 años.
Tetard es profesor asociado y presidente asociado del Departamento de Física de la UCF e investigador del Centro de Tecnología de Nanociencia, y Blair es profesor de investigación en el Instituto Espacial de Florida de la UCF.
Una tecnología mejor y más limpia para producir hidrógeno
La primera invención es un método para producir hidrógeno a partir de hidrocarburos, como el metano, sin liberar gas carbónico.
Mediante el uso de luz visible, como un láser, una lámpara o una fuente solar, y fotocatalizadores ricos en boro diseñados por defecto, la innovación destaca una nueva funcionalidad de los materiales a nanoescala para la captura asistida por luz visible y la conversión de hidrocarburos como el metano. La ingeniería de defectos se refiere a la creación de materiales de estructura irregular.
La invención de UCF produce hidrógeno libre de contaminantes, como compuestos poliaromáticos superiores, dióxido de carbono o monóxido de carbono, que son comunes en reacciones realizadas a temperaturas más altas en catalizadores convencionales.
El desarrollo puede reducir potencialmente el costo de los catalizadores utilizados para crear energía, permitir una mayor conversión fotocatalítica en el rango visible y permitir un uso más eficiente de la energía solar para la catálisis.
Las aplicaciones de mercado incluyen la posible producción a gran escala de hidrógeno en granjas solares y la captura y conversión de metano.
«Ese invento es en realidad un doble», dice Blair. «Obtienes hidrógeno verde y eliminas, no realmente secuestras, metano. Estás procesando metano en solo hidrógeno y carbono puro que se puede usar para cosas como baterías».
Él dice que la producción tradicional de hidrógeno utiliza altas temperaturas con metano y agua, pero además de hidrógeno, ese proceso también genera dióxido de carbono.
«Nuestro proceso toma un gas de efecto invernadero, el metano, y lo convierte en algo que no es un gas de efecto invernadero y dos cosas que son productos valiosos, hidrógeno y carbono», dice Blair. «Y hemos eliminado el metano del ciclo».
Señaló que en el Laboratorio Exolith de UCF pudieron generar hidrógeno a partir de gas metano utilizando la luz solar colocando el sistema en un gran concentrador solar.
Sabiendo esto, dice que los países que no tienen abundantes fuentes de energía podrían usar la invención ya que todo lo que necesitarían es metano y luz solar.
Además de los sistemas de petróleo y gas natural, el metano existe en vertederos, áreas industriales y agrícolas y sitios de tratamiento de aguas residuales.
Cultivo de nano/microestructuras de carbono libres de contaminantes
Esta tecnología desarrollada por Tetard y Blair es un método para producir estructuras de carbono a nanoescala y microescala con dimensiones controladas. Utiliza luz y un fotocatalizador de ingeniería defectuosa para crear estructuras a nanoescala y microescala modeladas y bien definidas a partir de numerosas fuentes de carbono. Los ejemplos incluyen metano, etano, propano, propeno y monóxido de carbono .
«Es como tener una impresora 3D de carbón en lugar de una impresora 3D de polímero», dice Tetard. «Si tenemos una herramienta como esta, entonces tal vez incluso haya algunos diseños de andamios de carbono que podamos idear que hoy en día son imposibles».
Blair dice que el sueño es fabricar materiales de carbono de alto rendimiento a partir del metano, lo que actualmente no se hace muy bien, dice.
«Entonces, esta invención sería una forma de fabricar dichos materiales a partir de metano de manera sostenible a gran escala industrial», dice Blair.
Las estructuras de carbono producidas son pequeñas pero bien estructuradas y se pueden organizar con precisión, con tamaños y patrones precisos.
«Ahora estamos hablando de aplicaciones de mucho dinero, tal vez para dispositivos médicos o nuevos sensores químicos», dice Blair. «Esto se convierte en una plataforma para desarrollar todo tipo de productos. La aplicación solo está limitada por la imaginación».
Dado que el proceso de crecimiento se puede ajustar a diferentes longitudes de onda, los métodos de diseño podrían incorporar varios láseres o iluminación solar.
El laboratorio de Tetard, que trabaja a nanoescala, ahora está tratando de reducir el tamaño.
«Estamos tratando de pensar en una manera de aprender del proceso y ver cómo podemos hacer que funcione incluso a escalas más pequeñas: controlar la luz en un volumen pequeño», dice ella.
«En este momento, el tamaño de las estructuras es de microescala porque el volumen focal de luz que creamos es de tamaño micro», dice ella. «Entonces, si podemos controlar la luz en un volumen diminuto, tal vez podamos hacer crecer objetos de tamaño nanométrico para nanoestructuras modeladas mil veces más pequeñas. Eso es algo que estamos pensando implementar en el futuro. Y luego, si eso es posible, hay muchas cosas que podemos hacer con eso».
Una tecnología mejor y más limpia para producir carbono
La tecnología mejor y más limpia de los investigadores para producir hidrógeno en realidad se inspiró en un método innovador anterior que produce carbono a partir de nitruro de boro diseñado por defecto utilizando luz visible.
Descubrieron una nueva forma de producir carbono e hidrógeno a través de un craqueo químico de hidrocarburos con energía suministrada por acoplamiento de luz visible con un catalizador sin metal, nitruro de boro diseñado con defectos.
En comparación con otros métodos, es mejor porque no requiere mucha energía, tiempo o reactivos especiales o precursores que dejen impurezas.
Todo lo que queda es carbono y algunos rastros de boro y nitrógeno, ninguno de los cuales es tóxico para los humanos o el medio ambiente.
La tecnología de transformación fotoquímica se presta a muchas aplicaciones, incluidos sensores o nuevos componentes para nanoelectrónica, almacenamiento de energía, dispositivos cuánticos y producción de hidrógeno verde.
Fuerte colaboración
Como colaboradores de investigación desde hace mucho tiempo, Tetard y Blair están muy familiarizados con el viejo dicho: «Si al principio no tienes éxito, inténtalo, inténtalo de nuevo».
«Tomó un tiempo obtener algunos resultados realmente emocionantes», dice Tetard. «Al principio, gran parte de la caracterización que intentamos hacer no funcionaba como queríamos. Nos sentamos a discutir observaciones desconcertantes tantas veces».
Sin embargo, siguieron adelante y su perseverancia valió la pena con sus nuevos inventos.
«Richard tiene un millón de ideas diferentes sobre cómo solucionar problemas», dice Tetard. «Entonces, eventualmente, encontraríamos algo que funcione».
Ella y Blair unieron fuerzas poco después de conocerse en 2013 en el departamento de física de la UCF. Blair acababa de descubrir propiedades catalíticas en el compuesto químico nitruro de boro que eran «inauditas» y quería publicar la información e investigar más.
Tenía un colaborador para el modelado teórico, Talat Rahman, un distinguido profesor Pegasus en el Departamento de Física, pero necesitaba a alguien que lo ayudara a caracterizar los hallazgos.
«A nivel de caracterización, ahí no está mi punto fuerte», dice. «Tengo puntos fuertes que complementan los puntos fuertes de Laurene. Tenía sentido ver si podíamos hacer algo juntos y si ella podía aportar algo de información sobre lo que estábamos viendo».
Por lo tanto, en colaboración con Rahman y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., esperaban obtener una comprensión molecular de las propiedades catalíticas del nitruro de boro hexagonal (estructurado en cristal) cargado de defectos, un catalizador sin metal.
Los catalizadores típicos a menudo consisten en metales, y el nitruro de boro, a veces llamado «grafito blanco», ha tenido muchos usos industriales debido a sus propiedades resbaladizas, pero no para la catálisis.
«Hasta que llegamos nosotros, ese tipo de nitruro de boro se consideraba simplemente inerte», dice Blair. «Tal vez un lubricante, tal vez para cosméticos. Pero no tenía ningún uso químico. Sin embargo, con la ingeniería de defectos, el equipo de investigación descubrió que el compuesto tenía un gran potencial para producir carbono e hidrógeno verde, posiblemente en grandes volúmenes».
La tecnología que el equipo desarrolló para fabricar carbono a partir de nitruro de boro diseñado con defectos utilizando luz visible llegó inesperadamente.
Blair dice que para analizar la superficie del catalizador, lo colocarían en un recipiente pequeño, lo presurizarían con un gas de hidrocarburo, como el propeno, y luego lo expondrían a la luz láser.
«Cada vez, hizo dos cosas que fueron frustrantes», dice. «El catalizador en sí mismo emitía una luz que oscurecía cualquier dato que necesitáramos, y el estudiante seguía diciendo, ‘se está quemando’ y yo diría que eso es imposible. No hay carbono en el catalizador».
«Y no había oxígeno», añade Tetard. Estaban perplejos.
«Si queríamos estudiar ese punto ardiente, tenía que ser más grande», dice ella.
Una vez que lograron producir una muestra más grande, la pusieron bajo el microscopio electrónico.
«Empezamos a ver algunas líneas, pero es un polvo suelto y desordenado, por lo que no se debe pedir», dijo Tetard. «Pero cuando nos acercamos un poco más, vimos algo de carbono y mucho, con el polvo de nitruro de boro diseñado por defecto adherido a la parte superior».
Lo que se vio como un problema fue en realidad fortuito, ya que el descubrimiento permitiría la producción de hidrógeno a bajas temperaturas y la producción de carbono como subproducto sin liberar gases de efecto invernadero ni contaminantes.
