"Captura de carbono en combustible": ¿de dónde proviene la energía?

Hace poco encontré un artículo titulado "Los científicos encuentran una forma de convertir el dióxido de carbono del aire en combustible" ( here ), y mi reacción inmediata fue "seguramente no, el balance de energía lo mataría de inmediato". Sin embargo, parece que esta es una propuesta seria, con un artículo en Phys.org y un artículo de revista legítimo,

Conversión de CO 2 del aire en metanol utilizando una poliamina y un catalizador de rutenio homogéneo. J. Kothandaraman et al. Mermelada. química Soc. 138 (3), págs. 778–781 (2016) .

Los artículos de InterestingEngineering y Phys.org hablan principalmente sobre los nuevos catalizadores encontrados por Kothandaraman y sus compañeros de trabajo, y el artículo de la revista va bastante por encima de mi cabeza, lo que sospecho que también es el caso para la mayoría del público en general.

Entonces, con el fin de que alguien en algún lugar deje en claro que la energía siempre se conserva y que los esquemas milagrosos siempre tienen su costo: ¿de dónde proviene la energía en el esquema de captura de carbono propuesto por Kothandaraman et al.? ¿En qué recursos se almacena esa energía, cuánta energía tienen esos recursos y cómo se crearían?

Sospecho que la mayor parte del juego energético está en la hidrogenación que se muestra en el resumen gráfico, y si tengo tiempo para asegurarme, escribiré una respuesta, pero prefiero tener algo con un buen presupuesto de energías en términos de cómo caro es hacer esos hidrógenos, así que pensé en dejar la pregunta abierta.
En última instancia, esa energía vendrá, como han dicho otros, de fuentes de energía renovables. La captura de carbono con las plantas es ineficiente, del orden del 0,1% a quizás alrededor del 1%. En comparación, las células solares pueden convertir la luz solar con una eficiencia del 15 % (los límites termodinámicos son en realidad alrededor del 94 % más o menos). Esto equivale a una ventaja de área de más de un orden de magnitud en comparación con un esquema de biocombustible convencional basado en la agricultura, con la ventaja adicional de que las células solares no necesitan tierras de cultivo en absoluto.

Respuestas (1)

Esto es muy similar a cómo las plantas capturan CO2 y forman "combustibles" (azúcares) para alimentarse. En el caso natural, la energía proviene de la luz solar captada por las clorofilas de las células vegetales, y la reacción química la lleva a cabo un grupo de enzimas (Fotosistema I y Fotosistema II).

Muchos científicos están tratando de replicar este proceso industrialmente utilizando catalizadores artificiales, y esto parece ser de lo que habla su fuente. En este caso, hay varias fuentes posibles para la energía. Las más comunes son la luz solar o la electricidad; en última instancia, estas reacciones químicas se deben a la transferencia de electrones y un potencial eléctrico aplicado puede impulsar esto. Esto es lo que también hace el enfoque de la luz solar: un electrón es excitado por un fotón y, en última instancia, esto conduce a la aplicación de un potencial que impulsa la reacción.

En cuanto a cuánta energía se necesita... bueno, tienes que considerar el panorama completo para entenderlo. Hay otro aspecto del proceso, y es la conversión del agua en oxígeno gaseoso (¡es por eso que las plantas liberan oxígeno a la atmósfera!). La diferencia de potencial entre estos dos procesos resulta ser de +1,23 V; esto supone una eficiencia termodinámica del 100 %. La mayoría de los sistemas reales son significativamente más altos (+1,7 a +1,8 V) porque parte de la energía se pierde en forma de calor, por lo que gran parte de la investigación actual se centra en reducir esta brecha al ideal +1,23 V.

EDITAR: Pido disculpas, el +1.23 V es para la reducción de H+ a H2. La reducción de CO2 a CH3OH está más cerca de +1,6 V.

La pregunta es para este esquema específico. ¿Cuál es la fuente de energía utilizada aquí?
Al leer el artículo, parece ser una combinación de energía química almacenada en enlaces que están cambiando y energía térmica añadida al calentar una solución que contiene el catalizador. Sin embargo, estas son solo condiciones de laboratorio utilizadas para probar el catalizador: si esto alguna vez llegara a la etapa de aplicación, se usaría electricidad o energía solar como fuente de energía.
Exactamente. Entonces, la pregunta es qué enlaces químicos tienen la energía, qué cantidad y cómo la colocarías allí.
Parece estar principalmente en los enlaces NH de la amina, y se transfiere al metanol a través de la transferencia de electrones acoplados a protones con el CO2 como aceptor. ¿Cuánto hay ahí? Las energías típicas de los enlaces NH son 386 kJ/mol ( wiredchemist.com/chemistry/data/bond_energies_lengths.html ), pero esto es para el caso ideal y la cantidad real será ligeramente diferente. En cuanto a cómo llegó allí, bueno, alguien hizo la molécula y la formación del enlace almacenó la energía allí.
Para seguir: este sistema no está produciendo combustible mágicamente en violación de la conservación de la energía. El enlace NH se consume y no se regenera. En un sistema de producción, la energía se introduciría continuamente ya sea electroquímica o fotoquímicamente.
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