La creciente preocupación mundial por el cambio climático y las emisiones de carbono ha llevado a la comunidad científica a buscar soluciones innovadoras para convertir el dióxido de carbono (CO2) en recursos útiles, como combustibles químicos y compuestos. En este contexto, un equipo de investigación liderado por la doctora Dahee Park del Korea Institute of Materials Science (KIMS), en colaboración con el profesor Jeong-Young Park de la Universidad KAIST, ha desarrollado una tecnología de catalizadores que mejora significativamente la eficiencia de la conversión de CO2.
El trabajo de este equipo ha sido publicado en la revista Applied Catalysis B: Environment and Energy. Las tecnologías convencionales de conversión de CO2 han enfrentado importantes desafíos en su comercialización, debido a su baja eficiencia en comparación con el alto consumo energético que requieren. En particular, los catalizadores de un solo átomo (SACs) presentan complicaciones en sus procesos de síntesis y dificultades para mantener un enlace estable con soportes de óxido metálico, elementos esenciales para estabilizar las partículas del catalizador y mejorar su durabilidad. Estas limitaciones han restringido el rendimiento de dichos catalizadores.
Innovaciones en la conversión de CO2
Para superar estos obstáculos, el equipo de investigación ha desarrollado tecnologías de catalizadores de un solo átomo y de doble átomo único (DSAC), introduciendo un proceso simplificado que incrementa la eficiencia del catalizador. Esta innovación se basa en las interacciones electrónicas entre los metales de los DSACs, lo que permite lograr tasas de conversión más elevadas y una excelente selectividad, es decir, la capacidad del catalizador para dirigir la producción de productos deseados, en comparación con las tecnologías existentes.
El diseño del catalizador se centra en el control preciso de las vacantes de oxígeno y las estructuras defectuosas dentro de los soportes de óxido metálico, lo que mejora notablemente la eficiencia y selectividad de las reacciones de conversión de CO2. Las vacantes de oxígeno facilitan la adsorción de CO2 en la superficie del catalizador, mientras que los catalizadores de un solo átomo y de doble átomo único contribuyen a la adsorción de hidrógeno (H2).
La acción combinada de las vacantes de oxígeno, los átomos únicos y los dobles átomos permite la conversión efectiva de CO2 con H2 en compuestos deseados. Cabe destacar que los DSACs aprovechan las interacciones electrónicas entre dos átomos metálicos para regular activamente la vía de reacción y maximizar la eficiencia.
El equipo de investigación aplicó el método de pirólisis por aerosol asistido para sintetizar los catalizadores mediante un proceso simplificado, demostrando su potencial para producción a gran escala. Este método convierte materiales líquidos en aerosoles y los introduce en una cámara calefaccionada, donde se forma el catalizador sin necesidad de pasos intermedios complejos. Esto permite una dispersión uniforme de los átomos metálicos dentro del soporte de óxido metálico y un control preciso de las estructuras defectuosas.
Gracias al control exacto de estas estructuras defectuosas, se logró la formación estable de DSACs, reduciendo el uso de catalizadores de un solo átomo en aproximadamente un 50%, mientras que la eficiencia de conversión de CO2 se multiplicó por más del doble en comparación con los métodos convencionales, alcanzando una selectividad excepcional de más del 99%.
Esta tecnología tiene aplicaciones potenciales en diversos campos, incluyendo la síntesis de combustibles químicos, la producción de hidrógeno y la industria de la energía limpia. Además, la simplicidad y alta eficiencia del método de síntesis de los catalizadores lo hacen altamente prometedor para su comercialización.
La doctora Dahee Park, investigadora principal, afirmó: «Esta tecnología representa un logro significativo en la mejora drástica del rendimiento de los catalizadores de conversión de CO2, al tiempo que permite su comercialización a través de un proceso simplificado. Se espera que sirva como tecnología clave para lograr la neutralidad de carbono». Por su parte, el profesor Jeong-Young Park añadió: «Esta investigación proporciona un método relativamente simple para sintetizar un nuevo tipo de catalizador de un solo átomo que puede ser utilizado en diversas reacciones químicas, así como una base crucial para el desarrollo de catalizadores de descomposición y utilización de CO2, uno de los ámbitos de investigación más urgentes para abordar el calentamiento global causado por los gases de efecto invernadero».
