Investigadores de la UCF desarrollan nueva tecnología para reciclar gases de efecto invernadero en energía y materiales

Un par de investigadores de la Universidad de Florida Central han desarrollado nuevos métodos para producir energía y materiales a partir del nocivo gas de efecto invernadero, el metano.

Libra por libra, el impacto comparativo del metano en la atmósfera de la Tierra 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 Estados Unidos.

Esto se debe a que el metano es más eficaz para atrapar radiaciones, a pesar de tener una vida 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 utilizar el metano en la producción de energía verde y crear materiales de alto rendimiento para dispositivos inteligentes, biotecnología, células solares y más.

Los inventos provienen de la nanotecnóloga Laurene Tetard y el experto en catálisis Richard Blair, quienes han sido colaboradores de investigación en la 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 NanoScience, 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 de carbono.

Al utilizar luz visible (como un láser, una lámpara o una fuente solar) y fotocatalizadores ricos en boro diseñados con defectos, 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 estructurados irregularmente.

La invención de la 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 potencialmente reducir 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 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.

"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 la 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 utilizar el invento, 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 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.

"Es como tener una impresora 3D de carbono en lugar de una impresora 3D de polímero", afirma Tetard. "Si tenemos una herramienta como esta, entonces tal vez haya incluso algunos diseños de andamios de carbono que podamos crear y que hoy en día sean imposibles".

Blair dice que el sueño es fabricar materiales de carbono de alto rendimiento a partir de metano, algo que actualmente no se hace muy bien, afirma.

"Por lo tanto, esta invención sería una manera 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 están bien estructuradas y pueden disponerse con precisión, con tamaños y patrones precisos.

"Ahora estamos hablando de aplicaciones costosas, 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 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.

El laboratorio de Tetard, que trabaja a nanoescala, está intentando ahora reducir el tamaño.

"Estamos tratando de pensar en una manera de aprender del proceso y ver cómo podemos hacerlo funcionar incluso en escalas más pequeñas: controlar la luz en un volumen diminuto", dice.

"En este momento, el tamaño de las estructuras es de microescala porque el volumen focal de luz que creamos es de microescala", dice. “Entonces, si podemos controlar la luz en un volumen diminuto, tal vez podamos desarrollar objetos de tamaño nanométrico para crear nanoestructuras modeladas mil veces más pequeñas. Eso es algo que estamos pensando en 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 suyo que produce carbono a partir de nitruro de boro diseñado con defectos utilizando luz visible.

Descubrieron una nueva forma de producir carbono e hidrógeno a través del craqueo químico de hidrocarburos con energía suministrada por el acoplamiento de luz visible con un catalizador libre de metales, nitruro de boro diseñado con defectos.

En comparación con otros métodos, es mejor porque no requiere mucha energía, tiempo ni reactivos especiales o 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 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 Tetard y Blair, colaboradores de investigación desde hace mucho tiempo, están muy familiarizados con el viejo dicho: "Si al principio no tienes éxito, inténtalo, inténtalo de nuevo".

"Llevó un tiempo obtener resultados realmente interesantes", dice Tetard. “Al principio, gran parte de la caracterización que intentamos hacer no funcionaba como queríamos. Nos sentamos a discutir observaciones desconcertantes muchas veces”.

Sin embargo, siguieron adelante y su perseverancia dio sus frutos con sus nuevos inventos.

"Richard tiene un millón de ideas diferentes sobre cómo solucionar problemas", dice Tetard. "Así que eventualmente encontraremos 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 de Pegasus en el Departamento de Física, pero necesitaba a alguien que le ayudara a caracterizar los hallazgos.

“A nivel de caracterización, ese no es 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 a lo que estábamos viendo”.

Entonces, en colaboración con Rahman y con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., esperaban obtener una comprensión molecular de las propiedades catalíticas del nitruro de boro hexagonal (estructurado como cristal), cargado de defectos, un catalizador libre de metales.

Los catalizadores típicos suelen consistir 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, 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”.

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”.

“Y no había oxígeno”, añade Tetard. Estaban perplejos.

"Si queríamos estudiar ese punto en llamas, tenía que ser más grande", dice.

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 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.

Credenciales de los investigadores

Blair tiene un doctorado en química de materiales de la Universidad de California en Los Ángeles. Se unió a la UCF en 2007 y es experto en catálisis para aplicaciones, incluido el procesamiento catalítico de compuestos bioderivados para combustibles y materias primas químicas. Actualmente es profesor de investigación en el Instituto Espacial de Florida y miembro de la Academia Nacional de Inventores. Consulte el sitio del Blair Research Group para obtener más información.

Tetard recibió su doctorado en física de la Universidad de Tennessee, Knoxville, y se unió al Departamento de Física y Centro de Tecnología de Nanociencia de la UCF en 2013. Es profesora asociada y también presidenta asociada del departamento. Tetard se especializa en el desarrollo de herramientas de microscopía y espectroscopía de alta resolución para avanzar en el nivel de comprensión del comportamiento de materiales y sistemas complejos. Consulte el sitio del Grupo de Investigación Tetard para obtener más información.

Tecnología disponible para licencia

Para obtener más información sobre el trabajo del equipo de investigación y posibles licencias adicionales u oportunidades de investigación patrocinadas, comuníquese con Andrea Adkins ([email protected]) al 407-823-0138.