Reforma solar

Tecnología para la conversión de residuos

La reforma solar es la conversión impulsada por la luz solar de diversos recursos de desechos de carbono (incluidos flujos de desechos sólidos, líquidos y gaseosos como biomasa , plásticos , subproductos industriales, dióxido de carbono atmosférico , etc.) en combustibles sostenibles (o vectores de energía) y productos químicos de valor agregado. ^[1] Abarca un conjunto de tecnologías (y procesos) que operan en condiciones ambientales y acuosas, utilizando el espectro solar para generar el máximo valor. ^[1] La reforma solar ofrece una solución atractiva y unificadora para abordar los desafíos contemporáneos del cambio climático y la contaminación ambiental mediante la creación de una red circular sostenible de reciclaje de desechos, generación de combustibles (y productos químicos) limpios y la consiguiente mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero (en consonancia con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas ).

Fondo

El primer reformado impulsado por la luz solar (ahora conocido como fotorreformado o reformado PC que forma una pequeña subsección del reformado solar; consulte la sección Definición y clasificaciones ) de sustratos derivados de desechos implicó el uso de fotocatalizador semiconductor de TiO ₂ (generalmente cargado con un cocatalizador de evolución de hidrógeno como Pt). Kawai y Sakata del Instituto de Ciencias Moleculares , Okazaki, Japón, en la década de 1980 informaron que los compuestos orgánicos derivados de diferentes desechos sólidos podrían usarse como donantes de electrones para impulsar la generación de gas hidrógeno sobre compuestos de fotocatalizadores de TiO ₂ . ^{[2] [3]} En 2017, Wakerley, Kuehnel y Reisner de la Universidad de Cambridge , Reino Unido, demostraron la producción fotocatalítica de hidrógeno utilizando sustratos de biomasa lignocelulósica cruda en presencia de puntos cuánticos de CdS|CdO _{x sensibles} a la luz visible en condiciones alcalinas. ^[4] A esto le siguió la utilización de compuestos fotocatalizadores absorbentes de luz visible, basados ​​en carbono y menos tóxicos (por ejemplo, sistemas basados ​​en nitruro de carbono ) para la fotorreforma de biomasa y plásticos a hidrógeno y compuestos orgánicos por Kasap, Uekert y Reisner. ^{[5] [6]} Además de las variaciones de nitruro de carbono, durante este período se informaron otros sistemas compuestos fotocatalizadores basados ​​en óxidos de grafeno , MXenes , polímeros de coordinación y calcogenuros metálicos . ^{[7] [8] [9 ] [10] [11] [12] [13] [14]} Una limitación importante del reformado de PC es el uso de condiciones de pretratamiento alcalino convencionales duras (pH >13 y altas temperaturas) para sustratos poliméricos como plásticos de condensación , lo que representa más del 80% de los costos de operación. ^[15] Esto se eludió con la introducción de una nueva vía de reformado quimioenzimático en 2023 por Bhattacharjee, Guo, Reisner y Hollfelder, que emplearon un pH casi neutro y temperaturas moderadas para el pretratamiento de plásticos y nanoplásticos. ^[16] En 2020, Jiao y Xie informaron sobre la conversión fotocatalítica de plásticos de adición como polietileno y polipropileno a combustibles C ₂ de alta densidad energética sobre una atmósfera de Nb 2 O 5 catalizador en condiciones naturales. ^[17]

El proceso fotocatalítico (conocido como reformado de PC; consulte la sección Categorización y configuraciones a continuación) ofrece un alcance de implementación simple, de un solo recipiente y fácil, pero tiene varias limitaciones importantes, lo que lo hace difícil para la implementación comercial. ^[15] En 2021, Bhattacharjee y Reisner introdujeron en la Universidad de Cambridge sistemas/tecnologías fotoelectroquímicas (PEC) impulsadas por la luz solar que funcionan sin polarización externa o entrada de voltaje . ^[18] Estos sistemas de reformado PEC (consulte la sección Categorización y configuraciones ) reformaron diversas corrientes de desechos pretratados (como lignocelulosa y plásticos PET ) en productos químicos selectivos de valor agregado con la generación simultánea de hidrógeno verde y logrando tasas de producción superficial de 100 a 10000 veces más altas que los procesos fotocatalíticos convencionales. ^[18] En 2023, Bhattacharjee, Rahaman y Reisner ampliaron la plataforma PEC a un reactor solar que podría reducir _el gas de efecto invernadero CO2 a diferentes vectores de energía ( CO , gas de síntesis , formato dependiendo del tipo de catalizador integrado) y convertir plásticos PET de desecho en ácido glicólico al mismo tiempo. ^[19] Esto inspiró aún más la captura y conversión directa de CO2 _en productos a partir de gases de combustión y aire ( captura directa de aire ) en un proceso de reformado PEC (con conversión de plástico simultánea). ^[20] Choi y Ryu demostraron un proceso PEC mediado con polioxometalato para lograr la conversión de biomasa con producción de hidrógeno sin asistencia en 2022. ^[21] De manera similar, Pan y Chu, en 2023 informaron sobre una celda PEC para la producción de formato renovable a partir de luz solar, CO2 _y azúcares derivados de biomasa. ^[22] Estos avances han hecho que el reformado solar (y el electroreformado, donde la electricidad renovable impulsa los procesos redox; véase la sección Categorización y configuraciones) surja gradualmente como un área activa de exploración.

Concepto y consideraciones

Definición y clasificaciones

El reformado solar es la transformación impulsada por la luz solar de sustratos de desecho en productos valiosos (como combustibles y productos químicos sostenibles), según la definición de los científicos Subhajit Bhattacharjee, Stuart Linley y Erwin Reisner en su artículo de 2024 en Nature Reviews Chemistry , donde conceptualizaron y formalizaron el campo al presentar sus conceptos, clasificación, configuraciones y métricas. ^[1] Generalmente opera sin calor ni presión externos, y también introduce una ventaja termodinámica sobre los métodos tradicionales de producción de combustible de reducción de _CO2 o hidrógeno verde , como la división del agua o la división del CO2 _, respectivamente. Dependiendo de la utilización del espectro solar, el reformado solar se puede clasificar en dos categorías: "reformado solar catalítico" y "reformado solar térmico". ^[1] El reformado solar catalítico se refiere a los procesos de transformación impulsados ​​principalmente por luz ultravioleta (UV) o visible . ^[1] También incluye el subconjunto de "fotorreformado" que abarca la utilización de fotones de alta energía en la región UV o cercana al UV del espectro solar (por ejemplo, mediante fotocatalizadores semiconductores como TiO ₂ ). El reformado solar térmico, por otro lado, explota la región infrarroja (IR) para el reciclaje de residuos para generar productos de alto valor económico. ^[1] Un aspecto importante del reformado solar es la creación de valor, lo que significa que la creación de valor general a partir de la formación del producto debe ser mayor que la destrucción del valor del sustrato. ^[1] En términos de arquitecturas de implementación, el reformado solar catalítico se puede clasificar además en: reformado fotocatalítico (reformado PC), reformado fotoelectroquímico (reformado PEC) y reformado fotovoltaico-electroquímico (reformado PV-EC). ^[1]

Ventajas frente a los procesos convencionales de reciclaje y supraciclaje de residuos

El reformado solar ofrece varias ventajas sobre los métodos convencionales de gestión de residuos o producción de combustibles o productos químicos. Ofrece una alternativa con menor consumo de energía y baja emisión de carbono a los métodos de reformado de residuos, como la pirólisis y la gasificación , que requieren un alto consumo de energía. ^[1] El reformado solar también ofrece varios beneficios sobre los métodos tradicionales de producción de hidrógeno verde, como la división del agua (H ₂ O → H ₂ + ⁠1/2⁠ O ₂ , ΔG° = 237 kJ mol ⁻¹ ). Ofrece una ventaja termodinámica sobre la división del agua al evitar la semirreacción de oxidación del agua, que es energética y cinéticamente exigente (E ⁰ = +1,23 V frente al electrodo de hidrógeno reversible (RHE)) mediante la oxidación energéticamente neutra de los compuestos orgánicos derivados de los desechos (C _x H _y O _z + (2 x − z )H ₂ O → (2 x − z + y /2)H ₂ + x CO ₂ ; ΔG° ~0 kJ mol ⁻¹ ). ^[1] Esto da como resultado un mejor rendimiento en términos de mayores tasas de producción, y también se traduce en otros procesos similares que dependen de la oxidación del agua como contrarreacción, como la división del CO ₂ . Además, las corrientes concentradas de hidrógeno producidas a partir del reformado solar son más seguras que las mezclas explosivas de oxígeno e hidrógeno (de la división del agua tradicional), que de lo contrario requieren costos de separación adicionales. ^[1] La ventaja económica adicional de formar dos productos valiosos diferentes (por ejemplo, combustibles reductores gaseosos y productos químicos oxidativos líquidos) simultáneamente hace que la reforma solar sea adecuada para aplicaciones comerciales. ^[1]

Métricas de reforma solar

El reformado solar abarca una variedad de procesos y configuraciones tecnológicas y, por lo tanto, las métricas de rendimiento adecuadas pueden evaluar la viabilidad comercial. En la fotosíntesis artificial , la métrica más común es la eficiencia de conversión de energía solar a combustible (η _STF ) como se muestra a continuación, donde 'r' es la tasa de formación del producto, 'ΔG' es el cambio de energía libre de Gibbs durante el proceso, 'A' es el área de irradiación de la luz solar y 'P' es el flujo de intensidad de luz total. ^{[1] [23]} El η _STF se puede adoptar como una métrica para el reformado solar, pero con ciertas consideraciones. Dado que los valores de ΔG para los procesos de reformado solar son muy bajos (ΔG ~0 kJ mol ^‒1 ), esto hace que el η _STF por definición sea cercano a cero, a pesar de las altas tasas de producción y rendimientos cuánticos . Sin embargo, reemplazar el ΔG para la formación del producto (durante la reformación solar) con el de la utilización del producto (|ΔG _uso |; como la combustión del combustible de hidrógeno generado) puede dar una mejor representación de la eficiencia del proceso. ^[1]

${\displaystyle \eta _{\mathrm {STF} }={\frac {\mathrm {r} _{\mathrm {SR} }\left(\mathrm {mol} \cdot \mathrm {s} ^{-1}\right)\times \Delta \mathrm {G} _{\mathrm {SR} }\left(\mathrm {J} \cdot \mathrm {mol} ^{-1}\right)}{\mathrm {P} _{\text{total }}\left(\mathrm {W} \cdot \mathrm {m} ^{-2}\right)\times \mathrm {A} \left(\mathrm {m} ^{2}\right)}}}$

Dado que la reforma solar depende en gran medida del recolector de luz y su área de recolección de fotones , una métrica tecnológicamente más relevante es la tasa de producción por área (r _areal ), como se muestra, donde 'n' son los moles de producto formado, 'A' es el área de irradiación solar y 't' es el tiempo. ^[1]

${\displaystyle \mathrm {r} _{\text{areal}}={\frac {\mathrm {n} _{\text{product}}(\mathrm {mol} )}{\mathrm {A} \left(\mathrm {m} ^{2}\right)\times \mathrm {t} (\mathrm {h} )}}}$

Aunque r _areal es una métrica más consistente para la reforma solar, descuida algunos parámetros clave como el tipo de residuo utilizado, los costos de pretratamiento, el valor del producto, el escalamiento, otros costos de proceso y separación, variables de implementación, etc. ^[1] Por lo tanto, una métrica más adaptable y robusta es la tasa de creación de valor solar ( r _STV ) que puede abarcar todos estos factores y proporcionar una imagen más holística y práctica desde el punto de vista económico o comercial. ^[1] La ecuación simplificada para r _STV se muestra a continuación, donde C _i y C _k son los costos del producto 'i' y el sustrato 'k', respectivamente. C _p es el costo de pretratamiento para el sustrato de desecho 'k', y n _i y n _k son cantidades (en moles) del producto 'i' formado y el sustrato 'k' consumido durante la reforma solar, respectivamente. Tenga en cuenta que la métrica es adaptable y se puede ampliar para incluir otros parámetros relevantes según corresponda. ^[1]

${\displaystyle r_{\mathrm {STV} }={\frac {{\textstyle \sum _{i=1}^{M}\displaystyle C_{i}(\$mol^{-1})\times n_{i}(mol)}-{\textstyle \sum _{k=1}^{N}\displaystyle {\bigl (}C_{k}+C_{p}{\bigr )}(\$mol^{-1})\times n_{k}(mol)}}{A(m^{2})\times t(h)}}{}}$

Categorización y configuraciones

El reformado solar depende de las propiedades del absorbente de luz y de los catalizadores involucrados, y de su selección, cribado e integración para generar el máximo valor. El diseño y la implementación de tecnologías de reformado solar determinan la eficiencia, la escala y los sustratos/productos objetivo. En este contexto, el reformado solar (más específicamente, el reformado solar catalítico) se puede clasificar en tres arquitecturas: ^[1]

• Reformado fotocatalítico (PC): el reformado de PC es un proceso de un solo recipiente que implica suspensiones de fotocatalizadores homogéneos o heterogéneos (o fotocatalizadores inmovilizados en láminas ^{[10] [24] [23]} o materiales flotantes ^[25] para una fácil recuperación), que, bajo la irradiación de la luz solar, generan portadores de carga ( pares electrón-hueco ) para catalizar reacciones redox (los sistemas de fotorreformado basados ​​en UV o casi UV generalmente también se incluyen en el reformado de PC). A pesar del bajo costo y la simplicidad del reformado de PC, existen importantes desventajas de este enfoque que incluyen bajas tasas de formación de productos, baja selectividad de los productos de oxidación o sobreoxidación para liberar CO ₂ , desafiante optimización del catalizador/proceso y duras condiciones de pretratamiento. ^{[15] [26] [27]}
• Reformado fotoelectroquímico (PEC): el reformado PEC implica el uso de sistemas/conjuntos PEC que consisten en (foto)electrodos separados generalmente conectados mediante un cable y sumergidos en una solución ( electrolito ). ^{[18] [19]} Un fotoelectrodo consiste en un absorbente de luz y capas adicionales de transporte de carga y catalizador para facilitar los procesos redox. Mientras que los sistemas PEC convencionales normalmente requieren una entrada de polarización o voltaje además de la energía obtenida de la irradiación de luz incidente, el reformado PEC funciona idealmente con un solo absorbente de luz sin ninguna polarización o voltaje externo (es decir, completamente impulsado por la luz solar). ^{[18] [1]} El reformado PEC ya puede producir combustibles limpios y productos químicos valiosos con alta selectividad y lograr tasas de producción que son de 2 a 4 órdenes de magnitud más altas que los procesos PC convencionales. ^{[18] [19]} La separación espacial entre los procesos redox que ofrecen los sistemas PEC permite flexibilidad en la selección e integración de absorbentes de luz y catalizadores, y también una mejor separación del producto. ^[19] También pueden beneficiarse de una mejor utilización espectral, como el uso de concentradores solares o módulos termoeléctricos para recolectar calor, mejorando así la cinética y el rendimiento de la reacción. ^[28] Por lo tanto, la versatilidad y el alto rendimiento de estos nuevos arreglos PEC tienen un amplio alcance para una mayor explotación e investigación.
• Reformado fotovoltaico-EC y extensión a sistemas de 'electrorreformado' - El reformado fotovoltaico-EC se refiere al uso de electricidad generada a partir de paneles fotovoltaicos (y por lo tanto impulsada por la luz solar) para impulsar reacciones electroquímicas ( electrólisis ) para el reformado de residuos. ^[29] El concepto de reformado fotovoltaico-EC se puede ampliar aún más al 'electrorreformado', donde se utiliza electricidad renovable de fuentes distintas del sol (por ejemplo, eólica, hidroeléctrica, nuclear, entre otras) para impulsar las reacciones electroquímicas logrando una valiosa producción de combustible y productos químicos a partir de materias primas de residuos. Si bien tradicionalmente la mayoría de los electrolizadores, incluidos los comerciales, se centran en la división del agua para producir hidrógeno, han surgido nuevos sistemas electroquímicos, catalizadores y conceptos que han comenzado a analizar los sustratos de residuos para su utilización como materias primas sostenibles. ^{[10] [30] [31] [32] [33]}

Introducción de la 'economía de los fotones'

Un concepto importante introducido en el contexto del reformado solar es la "economía de fotones", que, como lo definen Bhattacharjee, Linley y Reisner, es la utilización máxima de todos los fotones incidentes para maximizar la formación de productos y la creación de valor. ^[1] Un proceso de reformado solar ideal es aquel en el que el absorbedor de luz puede absorber los fotones de luz UV y visible incidentes con un rendimiento cuántico máximo , generando una alta concentración de portadores de carga para impulsar las semirreacciones redox a la velocidad máxima. Por otro lado, los fotones IR de baja energía residuales, no absorbidos , se pueden utilizar para impulsar la cinética de la reacción, el pretratamiento de residuos u otros medios de creación de valor (por ejemplo, desalinización , ^[34] etc.). Por lo tanto, se fomenta la gestión adecuada de la luz y la temperatura a través de diversos medios (como el uso de concentradores solares, módulos termoeléctricos, entre otros) para tener un enfoque económico tanto de átomos como de fotones para extraer el máximo valor de los procesos de reformado solar.

Recepción y medios de comunicación

Los avances tecnológicos en el reformado solar han suscitado un gran interés en los últimos años. Los trabajos de los científicos de Cambridge sobre el reformado de biomasa lignocelulósica cruda o plásticos de poliéster pretratados para producir hidrógeno y compuestos orgánicos atrajeron la atención de varias partes interesadas. ^{[35] [36] [37]} El reciente avance tecnológico que ha llevado al desarrollo de reactores solares de alto rendimiento (reformado PEC) para el reciclaje simultáneo de CO2, un gas de efecto invernadero, _y de residuos plásticos para convertirlos en productos sostenibles recibió un amplio reconocimiento y fue destacado en varios medios de comunicación nacionales e internacionales destacados. ^{[38] [39 ] [40 ] [41 ] [ 42] [43] [44 ] [45 ] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52]} Los procesos de reforma solar desarrollados principalmente en Cambridge también fueron seleccionados como "una de las once grandes ideas de las universidades británicas que podrían cambiar el mundo" por el Sunday Times (edición de abril de 2020) ^[53] y aparecieron en el discurso del Primer Ministro del Reino Unido sobre Net Zero, " O los investigadores de Cambridge que fueron pioneros en una nueva forma de convertir la luz solar en combustible " ^[54] (indicando la reforma solar que fue un subconjunto importante de las actividades de investigación más amplias en Cambridge).

Perspectivas y alcance futuro

El reformado solar se encuentra actualmente en la fase de desarrollo y la implementación escalable de una tecnología particular de reformado solar (PC, PEC o PV-EC) dependería de una variedad de factores. Estos factores incluyen la ubicación de la implementación y la variabilidad/intermitencia de la luz solar, las características del flujo de desechos elegido, los métodos viables de pretratamiento, los productos objetivo, la naturaleza de los catalizadores y su vida útil, los requisitos de almacenamiento de combustible/químicos, el uso de la tierra versus fuentes de agua abiertas, los costos de capital y operativos, las tasas de producción y creación de valor solar, y las políticas e incentivos gubernamentales, entre otros. ^[1] El reformado solar puede no limitarse solo a las vías químicas convencionales analizadas, y también puede incluir otros procesos industriales relevantes como las transformaciones orgánicas impulsadas por la luz, la fotoquímica de flujo, la integración con la electrólisis industrial, entre otros. ^[1] Los productos del reformado solar convencional, como el hidrógeno verde u otros productos químicos de plataforma, tienen una amplia cadena de valor. También se entiende ahora que las tecnologías de producción de combustibles/químicos sostenibles del futuro dependerán de la biomasa, los plásticos y el CO ₂ como materias primas de carbono clave para reemplazar los combustibles fósiles . ^[55] Por lo tanto, dado que la luz solar es abundante y la fuente de energía más barata, la reforma solar está bien posicionada para impulsar la descarbonización y facilitar la transición de una economía lineal a una circular en las próximas décadas. ^[1]

Véase también

• Fotosíntesis artificial
• Economía circular
• Conferencia de las partes
• Reducción electroquímica del dióxido de carbono
• Electroquímica
• Economía del hidrógeno
• Cero emisiones netas
• Fotocatálisis
• Fotoelectroquímica
• Combustible solar

Referencias

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