Metano + Luz solar + Catalizador = Emisiones

Investigadores de la Universidad de Florida Central dicen que han descubierto una manera de producir hidrógeno sin emisiones de dióxido de carbono.

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Hidrógeno: está en las noticias dondequiera que se mire. Hidrógeno para impulsar automóviles y camiones con cero emisiones, acero ecológico, combustibles renovables y fertilizantes respetuosos con el clima. Muchos creen que el hidrógeno podría ser la clave para librar al mundo del flagelo de los combustibles fósiles. ¿Pero cómo conseguirlo?

Aunque es un componente principal del agua y los combustibles fósiles, se une tan estrechamente a otros átomos que se necesita mucha energía para romper esos enlaces. En la mayoría de los casos, la energía necesaria proviene de la quema de combustibles fósiles, lo que más bien contradice toda la naturaleza de “cero emisiones” del hidrógeno.

La administración Biden planea promover el hidrógeno con un crédito fiscal de producción de 3 dólares por kilogramo incluido en la Ley de Reducción de la Inflación. El problema para los ambientalistas es que producir hidrógeno verde haciendo pasar una corriente eléctrica a través del agua requiere una enorme cantidad de energía. Les preocupa que los nuevos electrolizadores de hidrógeno devoren la mayor parte de la energía renovable disponible, lo que obligará a las empresas de servicios públicos a recurrir a la generación térmica para compensar la diferencia.

La producción de hidrógeno reformando el gas metano, que es la forma en que Estados Unidos obtiene más del 95% de su suministro, genera enormes emisiones de carbono en el proceso. Pero ¿y si hubiera una manera de producir hidrógeno a partir de metano a temperatura ambiente utilizando únicamente la luz solar y sin emisiones de dióxido de carbono? ¿Es eso algo sobre lo que al mundo le gustaría saber más? ¡Oh, puedes apostarlo!

Los investigadores Richard Blair y Laurene Tetard, ambos profesores de la Universidad de Florida Central, dicen que han desarrollado un proceso que permite convertir el metano en hidrógeno y carbono a temperatura ambiente utilizando únicamente la luz solar. Como suele suceder en los proyectos científicos, el descubrimiento fue en gran medida accidental (el pegamento utilizado para las notas adhesivas fue el resultado de la búsqueda de un adhesivo para aviones de alta resistencia).

La tecnología que el equipo desarrolló para producir carbono a partir de nitruro de boro diseñado con defectos utilizando luz visible fue inesperada. Blair dice que para analizar la superficie del catalizador, lo colocarían en un recipiente pequeño, lo presurizarían con un gas hidrocarbonado como el propeno y luego lo expondrían a una luz láser.

"Cada vez, hizo dos cosas que fueron frustrantes", dice. “El catalizador mismo emitió una luz que oscureció 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”.

Tetard añade: “Y no había oxígeno”. Estaban perplejos. "Si queríamos estudiar ese lugar en llamas, tenía que ser más grande". 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. Pero cuando nos acercamos un poco más, vimos algo de carbono y mucho, con el polvo de nitruro de boro diseñado con defectos adherido a la parte superior”.

Lo que se vio como un problema fue en realidad una casualidad, ya que el descubrimiento permitiría la producción de hidrógeno a bajas temperaturas y la producción de carbono como subproducto sin liberación de gases de efecto invernadero ni contaminantes. Esa última parte es la clave de por qué este descubrimiento es importante.

La ley de las consecuencias no deseadas, edición del hidrógeno verde, está plenamente expuesta en la descabellada guerra de Rusia contra Ucrania (imagen cortesía del Departamento de Energía de EE. UU.).

La 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 diseñado con defectos para crear estructuras modeladas y bien definidas a nanoescala y microescala a partir de numerosas fuentes de carbono. Los ejemplos incluyen metano, etano, propano, propeno y monóxido de carbono.

"Nuestro proceso toma un gas de efecto invernadero (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".

Los investigadores dicen que la tecnología para producir hidrógeno en realidad se inspiró en un método innovador anterior suyo que produce carbono a partir de nitruro de boro diseñado con defectos utilizando luz visible. La ingeniería de defectos se refiere a la creación de materiales estructurados irregularmente.

Los catalizadores suelen estar compuestos de metales. El nitruro de boro, a veces llamado “grafito blanco”, tiene muchos usos industriales debido a sus propiedades resbaladizas, pero no para 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, mediante 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”.

Comparado con otros métodos, el proceso creado por Blair y Tetard supone una mejora porque no requiere mucha energía, tiempo ni reactivos especiales ni precursores que dejen impurezas. Todo lo que queda es carbono y algunas trazas de boro y nitrógeno, ninguno de los cuales es tóxico para los humanos o el medio ambiente.

La invención 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.

Los investigadores afirman que 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. Las aplicaciones de mercado incluyen la posible producción a gran escala de hidrógeno en parques solares y la captura y conversión de metano.

"Ese invento es en realidad doble", dice Blair. “Se obtiene hidrógeno verde y se elimina (en realidad no se secuestra) el metano. Estás procesando metano en hidrógeno y carbono puro que pueden usarse para cosas como baterías”.

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. Sabiendo esto, cree que los países que no tienen abundantes fuentes de energía podrían utilizar el invento, ya que todo lo que necesitarían es metano y luz solar para producir hidrógeno.

El sueño es fabricar materiales de carbono de alto rendimiento a partir de metano, algo que actualmente no se hace muy bien. Esta invención sería una forma de fabricar dichos materiales a partir de metano de forma sostenible a gran escala industrial”, afirma Blair.

“Ahora estamos hablando de aplicaciones de alto costo, tal vez para dispositivos médicos o nuevos sensores químicos. Esto se convierte en una plataforma para el desarrollo de todo tipo de productos. La aplicación sólo está limitada por la imaginación”. Dado que el proceso de crecimiento se puede sintonizar en diferentes longitudes de onda, los métodos de diseño podrían incorporar varios láseres o iluminación solar.

Tetard 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. “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 a lo que estábamos viendo”. En este caso, dos cabezas piensan realmente mejor que una.

Steve escribe sobre la interfaz entre tecnología y sostenibilidad desde su casa en Florida o cualquier otro lugar donde la Fuerza lo lleve. Está orgulloso de estar "despertado" y realmente le importa un bledo por qué se rompió el cristal. Cree apasionadamente en lo que dijo Sócrates hace 3.000 años: "El secreto del cambio es centrar toda tu energía no en luchar contra lo viejo sino en construir lo nuevo".

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