Bloquear y almacenar: un nuevo recubrimiento permite la conversión eficiente de CO2 en productos químicos útiles
El dióxido de carbono (CO2) es ampliamente conocido como uno de los gases de efecto invernadero más comunes. Si bien es natural y beneficioso en cantidades moderadas, las actividades humanas han aumentado su concentración atmosférica hasta el punto de causar el calentamiento global y poner en peligro la vida en la Tierra. Recientemente, se han propuesto diversas acciones para reducirlo y, aún mejor, convertirlo en productos químicos útiles. De esta manera, podríamos aprovechar el exceso de CO2 y, al mismo tiempo, mitigar el efecto invernadero.
Investigadores del ICFO han diseñado ahora un recubrimiento especial para los electrodos utilizados en la conversión de CO2 en etileno, etanol y otros compuestos con fines industriales y energéticos. El recubrimiento fue diseñado para mantener su eficacia incluso bajo condiciones ácidas desafiantes, las cuales son, a su vez, esenciales para prevenir la transición espontánea del CO2 en productos no deseados. En el Journal of the American Chemical Society, el equipo presentó mejoras sustanciales en la producción de químicos útiles en comparación con los enfoques tradicionales, abriendo un nuevo camino hacia el desarrollo de tecnologías de aprovechamiento del CO2.
Un camino prometedor para mitigar y eventualmente revertir los efectos del calentamiento global asociados a las emisiones de carbono es la captura y conversión de CO2 en productos útiles. La electroreducción de CO2 permite generar compuestos especialmente atractivos como el etileno (el compuesto orgánico más producido en el mundo, usado como precursor en la industria de polímeros) y el etanol (que puede usarse directamente como combustible e incorporarse en las cadenas de suministro existentes).
Recientemente, se logró obtener altas tasa de estos productos ‘multicarbono’ mediante la electroreducción de CO2 en medios neutros y básicos. Lamentablemente, en estas condiciones existe una fuerte limitación intrínseca: resulta que la mayor parte del CO2 reacciona espontáneamente con especies hidroxilo y se pierde en carbonato no deseado, haciendo el proceso más caro y difícil de escalar. Aunque la reducción de CO2 en ambientes ácidos es una alternativa, un entorno rico en protones como este supone un desafío distinto: cuantos más protones (H+) estén disponibles, más fácil se produce el subproducto del hidrógeno (H2), consumiendo electricidad que, en su lugar, debería destinarse a convertir CO2 en compuestos multicarbono.
Para abordar esto, los investigadores del ICFO, la Dr. Bárbara Polesso, Adrián Pinilla-Sánchez, el Dr. Eman H. Ahmed, el Dr. Anku Guha, el Dr. Marinos Dimitropoulos, Blanca Belsa, la Dr. Viktoria Golovanova, el Dr. Lu Xia, Ranit Ram, el Dr. Sunil Kadam, Aparna M. Das, el Dr. Junmei Chen, el Dr. Johann Osmond, Adam Radek Martínez, dirigidos por el Prof. del ICFO F. Pelayo García de Arquer, junto con el Center for Nanophotonics from the University of Amsterdam (AMOLF), desarrollaron un recubrimiento polimérico especial para los electrodos. Según informan en el Journal of the American Chemical Society, este recubrimiento modula el entorno químico del electrodo para facilitar el proceso de reducción de CO2.
Al principio, los investigadores intentaron trabajar con un material bien estudiado, un ionómero, y encontraron que su estructura (y, por lo tanto, su función) se deterioraba al aumentar la acidez. Basándose en esta observación, diseñaron una estrategia para “bloquear” su estructura y función química incluso en condiciones muy ácidas. Al incorporar un tipo especial de polímero (con estructura ramificada y función amina), finalmente estabilizaron el ionómero original. Además, el ‘polyionómero’ resultante era capaz de regular la actividad de los protones, ofreciendo un control mayor para prevenir la creación de gas hidrógeno, así como de estabilizar los productos intermedios de la reacción, lo cual es esencial para producir etileno, etanol y compuestos similares.
El polyionómero se implementó luego en un electrodo dentro de una celda de flujo, cuyo rendimiento fue muy prometedor. El equipo registró una mejora de casi el 30 % en la generación de productos multicarbono y del 35 % en la utilización de átomos de carbono en comparación con los enfoques tradicionales. Así, este estudio marca un paso esperanzador en el intento de transformar el dañino CO2 en un aliado.
Referencia:
- Polesso, et. al., Chemostructurally Stable Polyionomer Coatings Regulate Proton-Intermediate Landscape in Acidic CO2 Electrolysis, J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 27278−27288.
DOI: 10.1021/jacs.5c01314
Agradecimientos:
ICFO thanks the Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, Generalitat de Catalunya (SGR 01455); the La Caixa Foundation (100010434, E.U. Horizon 2020 Marie Skłodowska-Curie grant agreement 847648); the European Union (NASCENT, 101077243); and PID2022-138127NA-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033/. A.P.-S. acknowledges PRE2021-098995 and FSE+. E.H.A. acknowledges Women for Africa foundation, 7th edition science by women program. A.G. acknowledges JDC2023-052976-I. B.B. acknowledges MCIN/AEI/10.13039/501100011033539 and FSE [PRE2019-088522]. V.G. acknowledges the Severo Ochoa Excellence Postdoctoral Fellowship [CEX2019-000910-S]. The work of E.A.L. and M.M. is part of the Dutch Research Council (NWO) and EU Pathfinder project SolarUP.