Gas de Efecto Invernadero CO2 a Gasolina
El dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero importante, es considerado el principal culpable del calentamiento global. En los últimos años, los países han estado esforzándose por reducir las emisiones de CO2 debido al impacto de las políticas de emisión de carbono. La gasolina es uno de los combustibles más utilizados en el mundo. Con el desarrollo de la sociedad moderna, la gasolina no solo se ha vuelto esencial para la producción y la vida diaria de un país, sino también una necesidad cotidiana para muchas personas comunes. Uno es un gas de efecto invernadero que contribuye al calentamiento climático, mientras que el otro es una fuente de energía valiosa en la que las personas dependen cada vez más. Aunque estos dos pueden parecer no relacionados, los científicos han descubierto que están inseparablemente vinculados.
En 2017, un equipo de investigadores liderado por Sun Jian y Ge Qingjie del Instituto Dalian de Ingeniería Química de la Academia China de Ciencias (DIC) descubrió un nuevo proceso para la conversión eficiente de CO2. Al diseñar un nuevo catalizador compuesto multifuncional, lograron la primera hidrogenación directa de CO2 para producir gasolina de alto octanaje. Los resultados de la investigación se publicaron en la revista británica Nature Communications el 2 de mayo, y el proceso y los materiales catalíticos relacionados han sido patentados. Este trabajo ha sido aclamado por colegas como «un avance en el campo de la conversión catalítica del CO2».
En la naturaleza, las plantas absorben CO2 del aire y lo convierten en materia orgánica y oxígeno a través de la fotosíntesis, un proceso lento que ha inspirado a los químicos a explorar el reciclaje químico del CO2. Esto también reduciría la dependencia de las fuentes de energía fósil tradicionales.
Sin embargo, la activación y conversión selectiva del CO2 siguen siendo grandes desafíos. Comparado con su contraparte más reactiva, el monóxido de carbono (CO), las moléculas de CO2 son muy estables y difíciles de activar. Los métodos tradicionales como el proceso Fischer-Tropsch a menudo resultan en moléculas pequeñas como metano, metanol y ácido fórmico, en lugar de combustibles líquidos de hidrocarburos de cadena larga, lo que hace difícil producir gasolina directamente.
Para abordar estos desafíos, el equipo de investigación diseñó creativamente un catalizador compuesto multifuncional eficiente y estable. A través de la catálisis sinérgica de múltiples sitios activos, el catalizador logró una baja selectividad para metano y monóxido de carbono en condiciones cercanas a la producción industrial, con un 78% de selectividad para hidrocarburos en la fracción de gasolina entre los productos de hidrocarburos. Esto excede significativamente los resultados reportados en la literatura previa. Además, las fracciones de gasolina estaban compuestas principalmente por isoparafinas y aromáticos de alto octanaje, cumpliendo con los requisitos de composición del estándar nacional V para benceno, aromáticos y olefinas.
El catalizador también demostró buena estabilidad, siendo capaz de operar de manera continua durante más de 1,000 horas, lo que indica su potencial para aplicaciones prácticas. A diferencia de los catalizadores convencionales, este catalizador contiene tres sitios activos compatibles y complementarios (Fe3O4, Fe5C2 y sitios ácidos).
La molécula de CO2 se convierte en un proceso «en tres pasos» en tándem a través del sitio activo de tres componentes cuidadosamente construido. Primero, el CO2 se reduce a CO mediante una reacción inversa de cambio de gas-agua en el sitio activo Fe3O4. El CO resultante se convierte en una alfa-olefina a través de una reacción Fischer-Tropsch en el sitio activo Fe5C2. Finalmente, el intermedio olefínico migra al sitio ácido en el tamiz molecular, donde se somete a oligomerización, isomerización y aromatización para producir selectivamente hidrocarburos destilados de gasolina.
El control preciso de la estructura y disposición espacial de estos tres sitios activos es clave para lograr la hidrogenación de CO2 en gasolina. Esta tecnología no solo abre nuevas vías para el estudio de la hidrogenación de CO2 a combustibles líquidos, sino que también ofrece posibilidades innovadoras para utilizar fuentes de energía renovable intermitente (viento, solar, agua, etc.). Además de reducir las emisiones de CO2, este nuevo proceso ofrece beneficios económicos significativos.
Documentos: Conversión Directa de CO2 en un Combustible de Gasolina
Producción Masiva Industrial
Según un informe de China News del 4 de marzo, el Instituto de Física Química de Dalian de la Academia China de Ciencias (DICP) anunció que la primera planta piloto del mundo para la hidrogenación de dióxido de carbono a gasolina, con una capacidad de producción anual de 1,000 toneladas, ha sido desarrollada con éxito en colaboración con Zhuhai Fusheng Energy Technology Co.
El equipo ha estado trabajando en la industrialización de esta tecnología desde 2017, y en 2020 completaron la construcción de una planta piloto de 1,000 toneladas en el Parque Industrial de Zoucheng, en la provincia de Shandong. Desde entonces, han realizado diversas pruebas, incluyendo la puesta en marcha, operación formal y optimización de datos industriales.
En octubre de 2021, la Federación China de la Industria del Petróleo y Química organizó una evaluación in situ de la planta. La evaluación reveló que la unidad había reducido significativamente el consumo de hidrógeno y dióxido de carbono en bruto, mantenido un bajo consumo energético en el proceso general, producido gasolina limpia y ecológica, y cumplido con los objetivos de rendimiento y producción de la unidad. Una prueba de terceros encontró que la gasolina producida tenía un número de octano superior a 90, con un rango de destilación y composición conformes con los estándares Nacional VI.
El 4 de marzo de 2022, la tecnología pasó otra evaluación del comité de logros científicos y tecnológicos de la organización en Shanghái. Los expertos del panel de evaluación concluyeron unánimemente que la tecnología de hidrogenación de CO2 a gasolina era la primera de su tipo en el mundo, con derechos de propiedad intelectual completamente independientes, y representaba un logro de liderazgo global.
Aspectos Sorprendentes
El catalizador utilizado en este proceso es relativamente simple de preparar, y las materias primas son económicas: FeCl3, FeCl2, NaOH y un tamiz molecular común. Esto lo hace mucho más rentable en comparación con los catalizadores sofisticados que suelen discutirse en la literatura científica. El equipo también ha propuesto mecanismos mediante los cuales se pueden ajustar los tres pasos de la reacción afinando la composición del catalizador. En el futuro, se podría lograr una mejor selectividad con el uso de tamices moleculares adecuados, lo que potencialmente permitiría la síntesis de otros productos valiosos.
Sin embargo, el rendimiento de este material no cumple completamente con las altas expectativas iniciales, y las cifras de conversión para H2/CO2=3 no son particularmente impresionantes. No obstante, su valor de aplicación es innegable. Es notable que el rendimiento selectivo para productos C5-C11 se mantiene entre el 70% y el 80%, con una composición de productos fraccionados estable. El sistema también demuestra estabilidad a largo plazo, cumpliendo con los requisitos básicos para aplicaciones industriales.
La contribución más significativa de esta investigación radica en su aplicación práctica. Mientras que gran parte de la investigación actual sobre la reducción de CO2 sigue enfocada en entornos de laboratorio, a menudo utilizando metales preciosos para lograr eficiencias máximas, este estudio adopta un enfoque diferente. En lugar de maximizar la eficiencia a cualquier costo, emplea un catalizador relativamente económico. Este trabajo regresa a la esencia de la tecnología de reducción de CO2 al lograr una conversión y selectividad razonables bajo condiciones industriales.
La Importancia de la Hidrogenación de CO2 a Gasolina
Muchas personas podrían preguntarse por qué convertiríamos CO2 en gasolina, solo para que la gasolina sea quemada y se convierta nuevamente en CO2. Puede parecer un gran esfuerzo para convertir cosas de ida y vuelta, con el resultado final siendo el mismo CO2, lo que hace que parezca que se desperdicia mucha energía en vano.
Para ser honesto, eso es lo que pensé cuando me acerqué por primera vez a este tema. Sin embargo, a medida que avanzaba en mi investigación, me di cuenta de que este proceso en realidad tiene mucho sentido.
1. Almacenamiento de Energía.
Existen muchas regiones en todo el mundo donde la energía eólica y solar son altamente adecuadas para su desarrollo. Sin embargo, la energía eólica y solar son intermitentes e inestables, lo que las hace menos ideales para la integración directa en la red eléctrica. La energía requerida para convertir CO2 en gasolina puede derivarse de estas fuentes renovables. En este contexto, la electricidad del viento, solar y de desechos industriales—que no son fácilmente utilizables directamente—pueden emplearse para alimentar esta reacción. Este punto también se menciona en el artículo.
Aunque el proceso de convertir CO2 e hidrógeno en gasolina es inherentemente ineficiente, cuando se analiza en este contexto de absorber el exceso de electricidad, su viabilidad mejora al industrializarse. Esta ruta de conversión de energía se vuelve algo análoga a una fuente de energía de punta en la red, como una central de almacenamiento por bombeo, donde la electricidad de bajo costo durante los tiempos de baja demanda se convierte en electricidad más valiosa durante la alta demanda. Desde la perspectiva de la estación de energía sola, esto podría no ser rentable, pero al considerar la carga general de la red y las diferencias entre los picos y los valles, se vuelve económicamente viable.
En una escala mayor, la cadena industrial de energía eólica + captura de carbono + hidrogenación de CO2 a gasolina es válida. Si esta tecnología, que nos permite convertir agua y CO2 disponibles en gasolina, puede ser realizada, entonces cada estación de energía solar y eólica podría convertirse efectivamente en un campo petrolero.
2.Reducción en la Explotación de Combustibles Fósiles:
El ciclo de CO2-a-gasolina-a-CO2 mantiene el CO2 dentro del ciclo del carbono, reduciendo así la necesidad de explotar las fuentes de energía fósil existentes. Al mismo tiempo, este proceso puede satisfacer una parte (aunque pequeña) de la demanda energética.
3.Aplicación en Situaciones Específicas:
En ciertos escenarios, la conversión de CO2 es particularmente necesaria. Por ejemplo, en entornos confinados como submarinos nucleares, donde debe manejarse el CO2, es posible convertir CO2 con peróxidos para producir oxígeno. Con las tecnologías emergentes que permiten convertir CO2 en metanol o incluso gasolina, convertir CO2 en combustible se convierte en una solución práctica. En tales casos, donde el CO2 debe ser convertido, el costo se convierte en una preocupación secundaria.
