Investigadores del Imperial College London han desarrollado una nueva estrategia de diseño de materiales que produce óxidos metálicos a base de cobre que funcionan de manera eficiente a altas temperaturas.
Los óxidos metálicos son clave para una fabricación más ecológica, la captura de carbono, el almacenamiento de energía y la purificación de gases.
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Estos compuestos se usan comúnmente en captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), para purificar y reciclar gases inertes en la fabricación de paneles solares, almacenamiento de energía termoquímica y producción de hidrógeno para energía.
Estos procesos se basan en reacciones donde los óxidos metálicos ganan y pierden electrones, conocidas como reacciones redox. Sin embargo, el rendimiento de los óxidos metálicos se ve afectado por las reacciones redox a las altas temperaturas requeridas para la fabricación de productos químicos.
Aquí es donde entra en juego la tecnología del Imperial College London.
Los óxidos metálicos son actores clave
Según Michael High, coautor principal del estudio que presenta la nueva solución, los óxidos metálicos son actores clave en un proceso relativamente nuevo llamado combustión química en bucle (CLC) .
CLC es una forma alternativa de quemar combustibles fósiles que utiliza óxidos metálicos, como los óxidos de cobre, para transportar oxígeno del aire para que reaccione con el combustible. La reacción produce CO2 y vapor, que se condensa para permitir la captura eficiente de CO2 para evitar que ingrese a la atmósfera
Al capturar el CO2 que se produce, CLC puede ayudar a las personas a utilizar los combustibles fósiles de una manera más limpia.
Sin embargo, un problema clave que ha impedido el uso de CLC a gran escala es la incapacidad de los óxidos metálicos para mantener un buen rendimiento de liberación de oxígeno durante múltiples ciclos redox en altas temperaturas.
Para abordar este problema, los investigadores examinaron las estructuras fundamentales de los óxidos metálicos utilizados en CLC, razonando que la química precursora de los óxidos metálicos no se entendía bien, lo que limitaba su diseño racional.
«Para resolver la cuestión de cómo los óxidos metálicos mantienen su rendimiento, observamos los conceptos básicos de los procesos químicos involucrados en CLC», dijo High en un comunicado de prensa. “Este es un ejemplo clave de la combinación de investigación fundamental y diseño inteligente para producir una estrategia aplicable a una amplia gama de procesos de ingeniería”.
Primer plano de los óxidos metálicos. (Imagen cortesía de Imperial College London).414671099865El investigador y sus colegas utilizaron una forma alternativa de diseñar la estructura del óxido metálico a partir de un conocido precursor compuesto de hidróxidos dobles (LDH) en capas de cobre, magnesio y aluminio.
Al adaptar la química de los precursores de LDH, los científicos descubrieron que podían producir óxidos metálicos que aún podían funcionar bien a temperaturas notablemente altas. Lo demostraron sometiendo los óxidos a 65 ciclos químicos en un tipo de reactor, conocido como reactor de lecho fluidizado, durante 65 horas .
Su mayor capacidad para resistir el calor significa que los óxidos metálicos producidos de esta manera pueden usarse para liberar más energía de la purificación y el reciclaje de gases inertes como el argón en la fabricación de paneles solares, la captura y el almacenamiento de carbono, el almacenamiento de energía química y la producción de hidrógeno limpio. Para demostrarlo, el grupo amplió la producción de óxidos metálicos para su uso en reactores de lecho fluidizado. Descubrieron que la creación de estos materiales es simple y fácilmente adecuada para mejorar utilizando los métodos de fabricación industrial existentes.
“A medida que el mundo hace la transición a cero neto, necesitamos procesos industriales más innovadores para la descarbonización”, dijo Qilei Song, autor principal del estudio. “Para mejorar la seguridad energética, debemos diversificar el suministro de electricidad, desde la generación y almacenamiento de energía renovable hasta el uso limpio de combustibles fósiles con tecnologías CCUS. Nuestros óxidos metálicos mejorados tienen un gran potencial para su uso en los procesos energéticos que nos están ayudando a alcanzar el cero neto”.
Según Song, la nueva solución ya está teniendo un impacto global en el reciclaje de argón en la fabricación de paneles solares y se espera que ayude a liberar aún más energía de las tecnologías energéticas existentes que luchan contra la crisis climática.
