Investigadores del Imperial College de Londres han desarrollado una nueva estrategia de diseño de materiales que produce óxidos metálicos a base de cobre que funcionan eficazmente 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.
Estos compuestos se utilizan habitualmente en la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), para purificar y reciclar gases inertes en la fabricación de paneles solares, el almacenamiento termoquímico de energía y la producción de hidrógeno para la energía.
Estos procesos se basan en reacciones en las que los óxidos metálicos ganan y pierden electrones, conocidas como reacciones redox. Sin embargo, el rendimiento de los óxidos metálicos se resiente en las reacciones redox a las altas temperaturas necesarias para la fabricación de productos químicos.
Aquí es donde entra en juego la tecnología del Imperial College London.
Los óxidos metálicos son protagonistas
Según Michael High, coautor del estudio que presenta la nueva solución, los óxidos metálicos son protagonistas en un proceso relativamente nuevo llamado combustión química en bucle (CLC).
La CLC es una forma alternativa de quemar combustibles fósiles que utiliza óxidos metálicos, como los de cobre, para transportar el oxígeno del aire y hacerlo reaccionar con el combustible. La reacción produce CO2 y vapor, que se condensa para permitir la captura eficiente del CO2 y evitar que llegue a la atmósfera.
Al capturar el CO2 que se produce, la CAC puede ayudar a la gente a utilizar los combustibles fósiles de forma más limpia.
Sin embargo, un problema clave que ha impedido el uso del CLC a gran escala es la incapacidad de los óxidos metálicos para mantener un buen rendimiento de liberación de oxígeno a lo largo de múltiples ciclos redox a altas temperaturas.
Para resolver este problema, los investigadores examinaron las estructuras fundamentales de los óxidos metálicos utilizados en el CLC, razonando que la química de los precursores de los óxidos metálicos era poco conocida, lo que limitaba su diseño racional.
«Para resolver la cuestión de cómo los óxidos metálicos mantienen su rendimiento, nos fijamos en los fundamentos de los procesos químicos que intervienen en la CAC», 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».
El investigador y sus colegas utilizaron una forma alternativa de diseñar la estructura de óxido metálico a partir de un conocido precursor compuesto por hidróxidos dobles de cobre-magnesio-aluminio (LDH).
Adaptando la química de los precursores de los LDH, los científicos descubrieron que podían producir óxidos metálicos que seguían funcionando bien a temperaturas notablemente altas. Lo demostraron sometiendo los óxidos a 100 ciclos químicos en un tipo de reactor muy utilizado, conocido como reactor de lecho fluidizado, durante 65 horas.
Su mayor capacidad para soportar el calor significa que los óxidos metálicos producidos de este modo pueden utilizarse para liberar más energía a partir 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. Comprobaron que la creación de estos materiales es sencilla y puede ampliarse con los métodos de fabricación industrial existentes.
«A medida que el mundo se acerca a la transición a la energía neta cero, necesitamos más procesos industriales 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 el 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 ayudan a llegar a la red cero».
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.