Los científicos crean de forma sencilla y eficiente de metano climáticamente neutro

Bajo la aplicación de un voltaje eléctrico, la superficie de níquel sobre circonia puede convertir el dióxido de carbono y el vapor de agua en metano, una posible forma de almacenar energía renovable químicamente.

El gas natural sigue desempeñando un papel importante en muchos sectores industriales, pero es un combustible fósil que daña el clima. La Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y la Universidad de Innsbruck han descubierto una ruta de reacción inesperada que permite sintetizar gas natural, o metano (CH₄ ) , utilizando CO₂ previamente capturado de los gases de escape o directamente del aire. De esta forma, el metano puede ser neutro en carbono.

Para lograrlo, sin embargo, se necesitan materiales especiales. La búsqueda de dichos materiales es el objetivo principal del proyecto de investigación MECS, un clúster de excelencia austriaco financiado por el Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF). Ahora se ha dado un paso importante: el equipo investigó el níquel sobre zirconia estabilizada con itria. En contacto con vapor de agua y dióxido de carbono, este material permite una compleja cascada de procesos químicos, que ahora se ha descifrado en detalle por primera vez, produciendo finalmente metano.

Dos pasos a la vez

«La idea de convertir el dióxido de carbono en gases de producto no es nueva», afirma el profesor Günther Rupprechter, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. «El dióxido de carbono se puede descomponer y luego hacer reaccionar con hidrógeno. Sin embargo, la pregunta es: ¿De dónde proviene el hidrógeno?».

Actualmente, la mayor parte del hidrógeno se sigue produciendo a partir de fuentes fósiles, conocido como hidrógeno “negro” o “gris”. Si se depende de este tipo de hidrógeno, el proceso global no es climáticamente neutro. “Para nosotros, en el clúster de investigación MECS, era evidente que sería mucho más elegante desarrollar un proceso que lograra dos cosas a la vez: primero, separar el dióxido de carbono para obtener carbono, y segundo, separar el agua para obtener simultáneamente hidrógeno ‘verde’”, explica Günther Rupprechter. El hidrógeno y el carbono se pueden utilizar para formar metano (CH₄) totalmente renovable . En etapas posteriores, si fuera necesario, este metano también podría convertirse en otras sustancias, como combustibles líquidos renovables.

Zirconia, la estrella subestimada

«Durante años, se asumió que el níquel era el factor principal que determinaba este proceso químico», afirma Bernhard Klötzer, de la Universidad de Innsbruck. «Pero algunos hallazgos experimentales no encajaban del todo con esta idea. Queríamos comprender con exactitud qué ocurre en la superficie electroquímicamente activa».

Para averiguarlo, el equipo desarrolló un electrodo modelo poroso muy especial, fabricado con níquel sobre zirconia estabilizada con itria, y lo analizó mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. Esta técnica permite rastrear los cambios químicos directamente durante el proceso, en tiempo real.

El resultado fue sorprendente: la zirconia se había utilizado originalmente principalmente por su permeabilidad a los iones de oxígeno y su capacidad para transportarlos. «Pero resultó que la zirconia desempeña un papel mucho más activo de lo que se pensaba», afirma Christoph Thurner, primer autor del estudio. «Al aplicar un voltaje eléctrico, el carbono se deposita inicialmente sobre los átomos de níquel, tal como esperábamos. Sin embargo, parte de este carbono migra posteriormente a la superficie de la zirconia, donde se forma un compuesto reactivo de carbono-circonio. En cuanto pequeñas cantidades de vapor de agua entran en contacto con este compuesto, reacciona de nuevo y se forma metano».

Almacenamiento químico de energía solar

«El comportamiento dinámico de la superficie de la zirconia resultó ser crucial», afirma Alexander Genest, de la Universidad Técnica de Viena, quien realizó las simulaciones. «Logramos demostrar que el metano se forma mediante una ruta de reacción hasta ahora desconocida. Esto abre nuevas perspectivas para el desarrollo de celdas de electrólisis.

Nos ofrece una forma de utilizar el excedente de energía eléctrica electroquímicamente, por ejemplo, en días especialmente soleados, cuando los paneles fotovoltaicos generan un exceso de energía y producen metano. De esta manera, la energía puede almacenarse en forma de combustibles versátiles que pueden conservarse a largo plazo sin dificultad».

Fuente: Universidad Técnica de Viena