De dióxido de carbono a metano

Saludos estimados amigos de Hive.

Como sabemos, las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) producto de la quema de combustibles fósiles es la principal responsable del calentamiento global, grandes cantidades de CO₂ son arrojadas anualmente a la atmosfera como subproducto de la generación de energía y el transporte impulsado por combustibles fósiles, es por ello que existe una gran preocupación por sustituir esta contaminante fuente de energía por energías limpias y renovables.

Pero a pesar de los adelantos en la obtención de energías limpias aún falta mucho para romper nuestra dependencia de los hidrocarburos, por lo que una de las estrategias que podría ayudarnos a mitigar las emisiones de CO₂ es reciclarlo y utilizarlo para fabricar combustibles sintéticos.

Reciclar el CO₂ y convertirlo en combustible es una prometedora alternativa. Fuente: Imagen editada, original de pxfuel.

Reacciones de conversión de CO₂

La reutilización del CO₂ está atrayendo mucha atención, no solo porque luce como una estrategia viable para disminuir la cantidad de este gas que llega a la atmosfera, sino también porque permitiría la obtención de una gran cantidad de productos de interés industrial. Esto sin duda es de mucho beneficio, porque dejaríamos de pensar en el CO₂ como un subproducto de desecho y podría considerarse como una materia prima de valor.

A partir del CO₂ se pueden obtener varios productos químicos o combustibles dependiendo de la vía de obtención, en la siguiente imagen podemos esquematizar algunos de los productos que se pueden obtener a partir del CO₂.

Productos de valor derivados del CO₂. Imagen elaborada en Powerpoint.

Actualmente la tendencia es en el desarrollo de alternativas diferentes a la captura y almacenamiento de CO₂, las investigaciones más recientes se centran en el desarrollo de tecnologías que permitan reciclarlo mediante su conversión en otros productos.

De entre los productos que se pueden obtener a partir del CO₂, la conversión a metano es uno de los procesos que ha presentado mayor interés. A este proceso se le conoce como metanación, una reacción química mediante la cual el dióxido de carbono se combina con hidrogeno en presencia de un catalizador para formar metano y agua como productos.

Reacción de metanación del CO₂

Esta reacción también es conocida como reacción de Sabatier, y es la base de la tecnología actualmente en desarrollo denominada Power to gas, la cual ha demostrado un gran potencial para el almacenamiento de químico de energía en forma de gas metano.

La reacción de metanación del CO₂ es una reacción que se lleva a cabo a elevadas temperaturas, que oscilan entre los 300 °C y 400 °C, y presiones, sobre un catalizador metálico soportado, siendo los catalizadores a base de Ni los más estudiados por su bajo costo, aunque los óxidos de rutenio sobre alúmina también han mostrado ser eficientes. La reacción se puede describir de la siguiente forma:

También se considera que la reacción procede en un mecanismo de dos etapas, que involucra en un primer paso la reducción del CO₂. A CO y el desplazamiento de agua, y en el siguiente paso se produce la metanación del CO.

La reacción global se ve influenciada por la temperatura, la presión y la relación de los gases en la alimentación, y al ser una reacción exotérmica, la producción de metano disminuye al aumentar la temperatura.

Mecanismo del proceso de metanación

Uno de los mecanismos sugeridos para explicar el proceso sugiere la absorción del CO₂ y el H₂ sobre la superficie del catalizador, la disociación y formación de las especies CO_act y O_act como principales intermediarios, luego prosigue la reacción disociativa que concluye con la hidrogenación de las especies a metano y agua, que posteriormente se desorben a la fase fluida.

Mecanismo propuesto para la metanación del CO₂. Imagen elaborada en Powerpoint.

Adelantos en el desarrollo de los catalizadores

Para la metanación del CO₂ los elementos del grupo 8,9 y 10 de la tabla periódica han mostrado ser activos para llevar a cabo la reacción, especialmente el paladio, rutenio y rodio, pero los altos costos de las sales precursoras han hecho que la investigación haya probado con otra serie de elementos, entre ellos níquel, molibdeno y plata, siendo más estudiado el primero por su alta actividad y bajo costo.

Al respecto, un equipo de investigadores ha publicado recientemente en la revista Angewandte Chemie que han logrado sintetizar un catalizador basado en níquel y carbono que ha mostrado un excelente actividad para la reacción de conversión fototérmica del CO₂.

Un proceso fototérmico es un proceso químico en el que se combina la acción de la luz y del calor, y está resultando un método prometedor para valorizar productos como el CO₂.

Este equipo de investigadores opto por el níquel por su elevada actividad y bajo costo, y para mejorar el proceso, ya que la efectividad del catalizador depende de la dispersión de la fase activa y su sinergia con el soporte, utilizaron una alta carga de nanoparticulas de níquel sobre un soporte carbonoso, ya que los materiales como el grafeno y los nanotubos de carbono han demostrado tener buenas cualidades como soportes para catalizadores fototérmicos por su buena absorción de luz.

Esquema del proceso fototérmico sobre el catalizador. Imagen elaborada en Powerpoint.

Para sintetizar el catalizador el quipo utilizo un compuesto organometalico que contiene níquel, y lo sometió a un proceso de pirolisis controlada a varias temperaturas, encontrando que la mejor temperatura de síntesis fue a 600 °C, para obtener nanopartículas de níquel muy uniformes, bien distribuidas e incrustadas en la matriz porosa del carbón grafitico.

El catalizador obtenido, denominado Ni@C, fue probado en la reducción del CO₂ a metano, demostrando una elevada tasa de conversión para la metanación, bajo luz artificial UV y luz solar natural, manteniéndose estable durante más de 12 horas.

Este tipo de investigación nos muestra que hay una promisoria tecnología que permitiría obtener una fuente de energía a partir del CO₂ y el hidrogeno. Esto nos permitiría disponer de hidrocarburos sin tener que añadir mayor cantidad de gases de efecto invernadero al ambiente, tan solo se reciclarían los gases generados en las centrales eléctricas u otras fuentes fijas de generación de CO₂.

Por ello, la tecnología de metanación fototérmica del CO₂ luce como una alternativa sostenible para mitigar los efectos adversos de la acumulación de este gas en la atmosfera, y aunque sigue en estudio, ya está generando gran interés por su potencial almacenamiento químico de energía en forma de metano.

Esperemos que el desarrollo de los catalizadores, y de la tecnología en general, escale pronto a condiciones en la que pueda ser utilizado de forma industrial y nos provea de un valioso gas que puede ser empleado en la calefacción, generación de electricidad y en la industria.

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Bueno amigos espero haber compartido información de interés sobre esta prometedora forma de reciclar el dióxido de carbono. ¡Hasta la próxima!

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Referencias

Wikipedia. Sabatier reaction

Il Son Khan, Diego Mateo, Genrikh Shterk, Tuiana Shoinkhorova, Daria Poloneeva, Luis Garzón-Tovar, Jorge Gascon (2021). An Efficient Metal–Organic Framework-Derived Nickel Catalyst for the Light Driven Methanation of CO₂. Angewandte Chemie, ed. 2021, 60, 1-8.

Osorio, E. (2020). Metanación de CO₂ sobre catalizadores básicos promovidos por CeO. Universidad Nacional de Colombia.

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