Dioxide Materials se fundó en 2009 en Champaign, Illinois , y ahora tiene su sede en Boca Raton, Florida . Su negocio principal es desarrollar tecnología para reducir la huella de carbono del mundo . Dioxide Materials está desarrollando tecnología para convertir el dióxido de carbono , el agua y la energía renovable en gasolina (petróleo) o combustible para aviones sin emisiones de carbono . Las aplicaciones incluyen el reciclaje de CO 2 , [1] la producción de combustibles sostenibles [1] y la reducción de la restricción de energía renovable [2] [3] (es decir, energía renovable que no podría ser utilizada por la red[2] ).
Los electrolizadores de dióxido de carbono son una parte importante del negocio de Dioxide Materials. [4] El trabajo comenzó en respuesta a un desafío del Departamento de Energía para encontrar mejores catalizadores para la reducción electroquímica de dióxido de carbono . [5] En ese momento, el sobrepotencial (es decir, el voltaje desperdiciado) era demasiado alto y la tasa demasiado baja para aplicaciones prácticas. [5] [6] Los trabajadores de Dioxide Materials teorizaron que un catalizador bifuncional que consta de un metal y un líquido iónico podría reducir el sobrepotencial para la reducción electroquímica del dióxido de carbono . De hecho, se encontró que la combinación de dos catalizadores,nanopartículas de plata y una solución de líquido iónico que contenía volúmenes iguales de tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio (EMIM-BF4) y agua redujeron el sobrepotencial de conversión de CO 2 en monóxido de carbono (CO) de aproximadamente 1 voltio a solo 0,17 voltios. [7] Los trabajadores de otros laboratorios han reproducido posteriormente los hallazgos en muchos metales y con varios líquidos iónicos. [8] Dioxide Materials ha demostrado que se produce una mejora similar durante la electrólisis del agua alcalina [9] [10] y la hidrocarboxilación del acetileno [11] (" química Reppe ").
En este punto, todavía hay dudas sobre cómo el imidazolio puede reducir el sobrepotencial para la reducción electroquímica del dióxido de carbono. El primer paso en la electrólisis del CO 2 es la adición de un electrón al CO 2 o un complejo molecular que contiene CO 2 . La especie resultante está etiquetada como "CO 2 ¯" en la figura de la izquierda. Se requiere al menos un electrón-voltio de energía por molécula para formar la especie en ausencia del líquido iónico. [12] Ese electrón-voltio de energía se desperdicia en gran medida durante la reacción. Rosen en otros [7]postuló que se forma un nuevo complejo en presencia del líquido iónico de modo que no se desperdicia 1 eV de energía. El complejo permite que la reacción siga el camino verde de la figura de la derecha. Un trabajo reciente sugiere que el nuevo complejo es un zwitterión [13] . Keith et al. [14] Rosen y otros. [15] Verdaguer-Casadevall et al. [16] y Shi et al. [17]
Desafortunadamente, se descubrió que los líquidos iónicos eran demasiado corrosivos para usarse en electrolizadores prácticos de dióxido de carbono. Los líquidos iónicos son disolventes fuertes. Disuelven/corroen los sellos, electrodos de carbón y otras partes en electrolizadores comerciales. Como resultado, eran difíciles de usar en la práctica.
Para evitar la corrosión , Dioxide Materials cambió de catalizadores líquidos iónicos a polímeros de intercambio de aniones catalíticos. [18] [19] Se probaron varios polímeros y el polímero de estireno funcionalizado con imidazolio que se muestra en la figura de la derecha mostró el mejor rendimiento. [18] [20] Las membranas se denominaron Sustainion. El uso de membranas Sustainion elevó la corriente y la vida útil del electrolizador de CO 2 al rango comercialmente útil. [21] [22] [23] [24] [25] Las membranas de sustentación han mostrado conductividades superiores a 100 mS/cm en condiciones alcalinas a 60 °C, [10]estabilidad durante miles de horas en 1M KOH, [10] y ofrecen una estabilidad física mecánica que es útil para muchas aplicaciones diferentes. Las membranas mostraron una vida útil de más de 3000 horas en electrolizadores de CO2 a altas densidades de corriente. [26] [10]