Mover el mundo con el ácido que segregan las hormigas

in StemSocial4 months ago
Hola estimados amigos.

Todos tenemos en cuenta la relación que existe entre las emisiones de gases de efecto invernadero y el calentamiento global, siendo el CO2 el gas emitido en mayor concentración y por tanto el que se lleva la mayor responsabilidad de este problema. Pero estamos conscientes que los motores de combustión en la actualidad son el motor de la economía y la sociedad, algo que crea cierta dependencia, y aunque se han hecho avances en la electrificación de los medios de transporte, aún falta mucho camino que recorres, por lo que mejorar las tecnologías actuales podrían ser el método más rápido de mitigar nuestro impacto sobre el ambiente.

Y una forma interesante de obtener energía con la que me he topado, y que podría ser una forma sustentable de mejorar el funcionamiento de nuestros vehículos, es mediante el ácido fórmico, un ácido que podemos encontrar en la naturaleza ya que constituye el veneno que inyectan algunas hormigas y abejas al picar.

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El ácido fórmico puede ser muy útil como fuente de energía. Fuente: Imagen editada en powerpoint, original de pxhere.com

Y es que, con la aparición de las primeras celdas de combustible de hidrogeno que utilizan ácido fórmico y las posteriores celdas que utilizan directamente este ácido, quizás estamos presenciando una nueva forma de obtener energía, la que incluso impulso el desarrollo del primer autobús que es impulsado por ácido fórmico. Este es un vehículo desarrollado por el Team Fast (Formic Acid Sustainable Transportation), un grupo de estudiantes de la Universidad Tecnológica de Eindhoven, un pequeño vehículo que apodaron “Junior” fue su prueba de concepto, un pequeño vehículo que era capaz de convertir el ácido fórmico en electricidad.


Modelo a escala impulsado por ácido fórmico. Fuente: wikimedia.org.

Y es que el ácido fórmico, HCOOH, también llamado metanoico puede funcionar como combustible para las celdas de hidrogeno de dos maneras.

  • Se puede utilizar para obtener hidrogeno, que es el gas que esencialmente alimenta a las celdas, para ello el ácido fórmico se somete a un reformado catalítico para obtener hidrogeno y CO2.

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Esquema general del reformado catalítico de HCOOH para obtener hidrógeno para combustible. Fuente: Imagen elaborada en Powerpoint.

La ventaja de este método es que el ácido se puede almacenar de forma líquida, lo cual es menos peligroso que almacenar hidrogeno gaseoso para alimentar las celdas de combustible.

  • Se puede utilizar de forma directa, lo cual elimina la necesidad de la etapa de reformado, sino que se combina directamente dentro de la celda con oxígeno para producir H2O y CO2. El proceso se vale de las siguientes reacciónes:

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Esta reacción se produce mediante la oxidación del HCOOH en el ánodo de la celda, sobre una capa de catalizador añadido a este, de la reacción se desprende CO2 e iones H+, estos protones atraviesan una membrana polimérica y reaccionan con el oxígeno en el cátodo, sobre una capa de catalizador adherido a este, y los electrones circulan desde el ánodo al cátodo mediante el circuito externo proporcionándole electricidad al dispositivo conectado a este.

La reacción global resultante quedaría como:

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En ambos casos se produce CO2 como subproducto, y aunque utilizar ácido fórmico como fuente de hidrogeno es una forma menos riesgosa de alimentar las celdas de combustible, se mantiene el problema de generar CO2 para obtener energía, y la verdad no tiene sentido desarrollar una tecnología que no resuelve este problema.

Lo ideal sería mantener un balance cero en las emisiones, es decir, encontrar una manera de convertir el CO2 de la atmosfera en ácido fórmico, que a su vez se utiliza como combustible liberando la misma cantidad de CO2, así no se incorpora más carbono al ambiente.

La solución, hidrogenación directa de CO2 a ácido fórmico

El ácido fórmico, no solo es un valioso producto para la industria química, sino que su descomposición en CO2 y H2 nos permite utilizarlo como elemento de almacenamiento de hidrogeno, pero lo mejor, es que esta transformación puede ser reversible, lo que nos da la posibilidad de regenerar el ácido fórmico.

Consideraciones termodinámicas

La conversión de CO2 e hidrógeno en ácido fórmico implica un cambio de fase de los reactivos gaseosos a un producto en fase líquida, lo cual es un punto desfavorable desde el punto de vista entrópico.

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Pero, cuando se opera la reacción en fase acuosa, la presencia de un disolvente altera la reacción volviéndola ligeramente exotérmica:

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Entonces, en la práctica, para la conversión de CO2 en ácido fórmico hay que alterar el equilibrio termodinámico de la reacción, en ocasiones mediante reacciones secundarias como la conversión a formiatos, siendo la estrategia más común la esterificación, la reacción con aminas o la neutralización con bicarbonatos alcalinos.

Sistemas catalíticos

Desde que se publicara por primera vez la síntesis del ácido fórmico a partir del CO2 por vía catalítica hace más de 40 años, empleando un catalizador homogéneo de Rutenio con ligandos de fosfina, se ha prestado un gran interés en el desarrollo de esta reacción por vía de la catálisis.

Numerosos intentos han empleado metales de transición, especialmente Ir y Ru, con muy buenos resultados, los avances en los sistemas homogéneos han sido más revisados que los sistemas heterogéneos, entre los cuales se han empleado sistemas a base Ru, Pd y Au, entre otros, estos tienen ventajas más claras en cuanto a la separación del producto, sin embargo la tasa de producción ha estado lejos de lo que sería deseable desde el punto de vista industrial, pero la investigación sigue aumentando en este campo.

Avances en los sistemas catalíticos

Pero aunque lo anterior es posible, se requieren complicados procesos de refinación que consumen mucha energía, lo que nos deja en el punto de partida. Sin embargo, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China parece haber encontrado una manera más eficiente y amigable con el ambiente de transformar el CO2 de la atmosfera en ácido fórmico.

En un artículo publicado en la revista Nature Nanotechnology, publicado el pasado mes de diciembre, el equipo de investigadores planteó haber desarrollado un sistema que emplea electricidad renovable para convertir directamente el dióxido de carbono en ácido fórmico puro.

El grupo de investigación ha desarrollado un catalizador a base de cobre aleado con un solo átomo de plomo (Pb1Cu), con el que han logrado convertir CO2 en formiato con una selectividad elevada (aproximadamente del 96%) en un sistema de reacción electroquímico basado en un reactor de electrolito de estado sólido. El sistema a escala laboratorio realizó una producción continua de 8 L de solución de ácido fórmico puro al 0,1 M.

Esperemos que investigación como esta promueva el reciclado industrial de dióxido CO2 empleando electricidad renovable, lo que es de vital importancia para impulsar la economía circular del CO2.

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Economía circular del CO2. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Conclusión

Como vemos, el aprovechamiento del CO2 como fuente de materia prima este ganando interés, y aunque la captura y almacenamiento de CO2 se ha considerado desde hace tiempo como una alternativa viable, la verdad es que empezar a considerar el CO2 como una fuente de carbono en lugar de un residuo parece ser una alternativa más eficiente, impulsando algunas investigaciones que buscan transformar esta molécula en una fuente de hidrogeno para alimentar las celdas de energía y de otros productos útiles.


Bueno amigos espero haber compartido información de interés sobre esta forma de obtener energía. ¡Hasta la próxima!


Referencias

Alvarez, D., Bansode, A., Urakawa, A., Bavykina, A., (2017). Challenges in the Greener Production of Formates/Formic Acid, Methanol, and DME by Heterogeneously Catalyzed 2 Hydrogenation Processes. Chem. Rev. 2017, 117, 14, 9804–9838.

Zheng, T., Liu, C., Guo, C. (2021). Copper-catalysed exclusive CO2 to pure formic acid conversion via single-atom alloying"; Nat. Nanotechnol.; 16, 1386–1393.


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Hola estimado @emiliomoron... Debo confesar que me gustan mucho los temas donde se tocan alternativas para cuidar el ambiente, así que, me parece súper interesante tu publicación y la manera como explicas el proceso para convertir el ácido fórmico en hidrógeno y las maneras como se puede almacenar.

Gracias por compartir tan valiosa información.

Hola @hannymarchan, gracias a ti por pasar a leer el post, todas las alternativas que podamos implementar para cuidar el ambiente son necesarias, más si se trata de las emisiones de dioxido de carbono. Saludos!!

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