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El etileno (C2H4) es una de las materias primas más importantes en la industria química; un ´bloque de construcción´ esencial en la fabricación de la mayoría de los plásticos que los seres humanos utilizamos en el día a día.
Para convertir este gas invisible e inodoro en un plástico sólido se utiliza un proceso llamado polimerización, en el que mediante calor, presión y catalizadores, las moléculas de etileno se rompen y se unen entre sí para formar cadenas larguísimas llamadas polietileno.
Dependiendo de cómo se manipulen las cadenas de polietileno, es posible crear distintos tipos de materiales. Por ejemplo, el HDPE (Polietileno de Alta Densidad) es un plástico rígido y resistente, ya que las cadenas están muy juntas y ordenadas. Sin embargo, el LDPE (Polietileno de Baja Densidad) es un plástico flexible y transparente, en el que las cadenas están ramificadas y desordenadas. También está el PET (Polietileno Tereftalato), presente en botellas de refrescos y fibras textiles, aunque su proceso de fabricación resulta algo más complejo que los anteriores.
La producción de etileno deja una enorme huella de carbono. Se estima que por cada tonelada de etileno creada, se produce una tonelada de dióxido de carbono.
En este sentido, un grupo de investigadores de Estados Unidos dirigidos por la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg, desarrollaron un electrolizador que utiliza electricidad para crear etileno a partir de gas de síntesis, un gas residual producido a partir de plástico. Gracias a él, se reduce el consumo total de energía del sistema al ser más eficiente.
Ted Sargent, profesor de Química de Lynn Hopton Davis y Greg Davis, afirmó: “Nuestro objetivo es descarbonizar las sustancias químicas, y este trabajo es un gran paso en esa dirección”. El innovador método puede emplearse con fuentes de energía renovables para allanar el camino hacia una cadena de suministro de etileno más ecológica.
Ke Xie, profesor de investigación en química de Northwestern: “Queremos crear un sistema circular que genere componentes químicos esenciales a partir de residuos sin utilizar combustibles fósiles, y este sistema forma parte de esa nueva cadena de suministro de eficiencia atómica y energética”.
El equipo se dedicó a la electroproducción de etileno empleando una materia prima más energética —gas de síntesis— disponible mediante termogasificación, para reducir el consumo eléctrico de todo el proceso de producción de etileno. Además, construir un sistema alimentado exclusivamente con gas para evitar el electrolito cáustico.
Los responsables del estudio, publicado en la revista Nature Energy, identificaron un desafío clave en dicho sistema: en ausencia de anolito alcalino, los electrolitos de estado sólido conocidos eran ineficaces para activar la transformación de CO a etileno. Por lo tanto, los investigadores exploraron un conjunto de ionómetros candidatos y evaluaron el codiseño para lograr una alta capacidad de intercambio junto con una unión catiónica optimizada.
De este modo, el equipo identificó al poliacrilato como un huésped eficiente que permite la producción de C2H4 a 1,2 V y 100 mA cm−2 (49 GJ de electricidad por tonelada de C2H4) en el sistema de estado sólido- que funciona de manera estable durante más de 80 horas y después de 30 ciclos de encendido y apagado- cuando se alimenta con electricidad intermitente.
Asimismo, los investigadores se preguntaron si era posible desarrollar un dispositivo que fuera alimentado con gas en ambos lados de la reacción, un lado (el cátodo) con el monóxido de carbono presente en el gas de síntesis, el otro (el ánodo) alimentado usando su hidrógeno. “En nuestros primeros intentos, intentamos crear un electrolizador de gas-gas, pero simplemente no funcionó. Y nos dimos cuenta de que no solo necesitábamos agua, sino también sal”, dijo Sargent.
Según el comunicado de prensa, el material, poliacrilato de sodio (PANa) crea un microambiente dentro del sistema que imita un baño de sal líquida, a la vez que lo mantiene seco. El resultado es un proceso más de un 60 % más eficiente que los procesos electrificados anteriores, de mayor eficiencia energética, que convierten el dióxido de carbono en etileno. “Bosi redujo significativamente la electricidad necesaria al disminuir el voltaje que debemos aplicar en el dispositivo”, dijo Sargent.
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