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Cerdanyola del Vallès, 29 de enero 2024 El aumento exponencial de la demanda y el consumo de combustibles fósiles ha provocado un incremento de los niveles de concentración de dióxido de carbono (CO2) en la atmosfera hasta llegar a los 420 ppm (partes por millón) el año 2022. Este hecho tiene grandes consecuencias en el calentamiento global y la contaminación ambiental del planeta. Se han desarrollado diferentes alternativas tecnológicas para hacer una transición factible y gradual de combustibles basados en carbono a combustibles renovables. Durante los últimos años, la tecnología de captura y utilización de CO2 ha sido considerada como una de las estrategias más prometedoras, ya que se puede considerar neutro en carbono, contribuyendo a mitigar las fluctuaciones de las energías renovables y reduce significativamente los costes de procesamiento en comparación a los sistemas de captación y almacenaje de CO2. Una de las opciones de captura y utilización más viables y sostenibles es la valorización del CO2 en forma de metano (CH4), ya que la reacción no requiere aportación de calor adicional y el gas natural sintético producido se puede almacenar y transportar a través de la infraestructura de gas natural existente.
La conversión del dióxido de carbono en metano tiene lugar en añadir hidrógeno, produciendo como resultado metano y agua (CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O). La investigación de catalizadores activos y selectivos es esencial para acelerar la cinética de la reacción y poder avanzar hacia aplicaciones industriales.
Se han desarrollado formulaciones diversas derivadas de perovskitas como precursores de catalizadores eficientes para la reacción del CO2 a metano. Sin embargo, solamente se han llevado a cabo estudios mecánicos preliminares sobre estos nuevos materiales.
Ahora, científicos de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), la Universidad de Alicante y la estación experimental NAPP de la línea de luz CIRCE del Sincrotrón ALBA han mostrado un esquema completo del mecanismo de conversión del CO2 en metano sobre un catalizador derivado del sistema 10% LaNiO3/CeO2, altamente activo, selectivo y estable. Lo han hecho combinando por primera vez dos técnicas. La primera, espectroscopia de fotoelectrones de rayos X a presión cercana a la ambiental (NAP-XPS) con radiación de sincrotrón en la línea de luz NAPP-CIRCE. La segunda, análisis in situ con espectroscopia de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR). El equipo científico ha revelado en el artículo publicado en Applied Catalysis B: Environmental que este catalizador tiene una gran estabilidad y realiza una elevada conversión de CO2 a metano.
El papel y la naturaleza de diferentes lugares activos del catalizador se exploraron mediante experimentos de NAP-XPS. La branca NAPP de la línea de luz CIRCE permitió a los investigadores monitorizar la reacción química del metano, determinar la composición de la fase gaseosa durante todo el experimento y controlar la presión y la temperatura a la cámara de análisis.
Las muestras de catalizador y la mezcla de los reactivos de la reacción CO2 y H2 fueron introducidas a la cámara de análisis, donde se hicieron diferentes procesos de refrigeración y calentamiento, en función del protocolo experimental definido por los investigadores. Entonces, se registraron espectros a cada temperatura en intervalos de 50 °C.
Los experimentos realizados en CIRCE confirman que después de la reacción se forman nanopartículas Ni0 así como Ni2+–CeO2−x/Ni2+–La2O3. Por otro lado, el equipo ha identificado los intermediarios clave de la reacción mediante los análisis FTIR in situ que se realizaron en los laboratorios del grupo TQSA de la UPV/EHU. El formiato actúa como principal intermediario de la reacción, ya que se hidrogenan rápidamente a metano.
Los conocimientos sobre el mecanismo de la reacción que se han obtenido en esta investigación pueden ser de gran ayuda para desarrollar un modelo cinético que pueda predecir con precisión el comportamiento catalítico de este nuevo catalizador para la conversión de CO2 en metano en condiciones industrialmente relevantes. También para diseñar nuevas formulaciones con actividad, selectividad y estabilidad mejoradas. En definitiva, esta información es esencial para seguir ampliando este proceso.
Referencia: Jon A. Onrubia-Calvo, Sergio López-Rodríguez, Ignacio J. Villar-García, Virginia Pérez-Dieste, Agustín Bueno-López, Juan R. González-Velasco. Molecular elucidation of CO2 methanation over a highly active, selective and stable LaNiO3/CeO2-derived catalyst by in situ FTIR and NAP-XPS. Applied Catalysis B: Environmental. Volume 342, 2024, 123367. ISSN 0926-3373. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123367.
