En el contexto de la transformación acelerada de la estructura energética global y el crecimiento sincrónico de la demanda de materiales avanzados, la preparación a gran escala de materiales de alto valor añadido, a la vez que se reducen las emisiones de carbono, se está convirtiendo en un tema central en los campos de la ciencia de los materiales y la ingeniería energética. Recientemente, un equipo de investigación de la Universidad de Cambridge publicó un estudio en la revista Nature Energy que ofrece una nueva vía tecnológica para este problema: mediante la reconstrucción sistemática del proceso de pirólisis de metano y deposición química en fase de vapor con catalizador flotante (FCCVD), se produjeron nanotubos de carbono e hidrógeno limpio de forma sincronizada sin generar subproductos de dióxido de carbono durante todo el proceso.

La clave de este logro reside en la profunda transformación de la lógica del proceso del sistema actual de pirólisis de metano. El metano, como componente principal del gas natural y el biogás, se ha considerado durante mucho tiempo una materia prima importante para la producción de hidrógeno y materiales de carbono. Sin embargo, el proceso convencional de reformado de metano con vapor produce inevitablemente monóxido de carbono y dióxido de carbono, lo que lo hace controvertido en la vía de la "producción de hidrógeno con bajas emisiones de carbono". En cambio, la pirólisis de metano, en teoría, puede descomponer directamente el metano en carbono sólido e hidrógeno gaseoso, evitando la participación del oxígeno en la reacción y eliminando el riesgo de emisiones de dióxido de carbono desde la raíz.

En investigaciones anteriores y en la práctica industrial, la pirólisis de metano se ha considerado más como una de las rutas de preparación para nanotubos de carbono , y su subproducto, el gas hidrógeno, suele ignorarse o solo existe como un producto incidental. El equipo de la Universidad de Cambridge ha observado que si se puede mejorar significativamente la producción de hidrógeno sin sacrificar la calidad de los nanotubos de carbono, se espera que la pirólisis de metano pase de ser un «proceso material» a un «proceso de acoplamiento de energía material». Este enfoque apunta directamente al cuello de botella de la eficiencia de larga data en el sistema FCCVD

El proceso tradicional de FCCVD utiliza metano como fuente de carbono y catalizadores en fase gaseosa para generar nanotubos de carbono de alta calidad y alta relación de aspecto a alta temperatura, lo que ofrece importantes ventajas en campos como los agentes conductores para baterías y los materiales compuestos de alta gama. Sin embargo, este proceso depende en gran medida del aporte externo de hidrógeno para diluir el metano y evitar la generación de humo y polvo. Este diseño impone una doble limitación al proceso de FCCVD durante la amplificación: por un lado, requiere una gran capacidad de producción de prehidrógeno y, por otro, el gas de reacción suele adoptar un modo de flujo unidireccional, con una gran cantidad de metano sin reaccionar descargado con los gases de escape, lo que resulta en una baja eficiencia de utilización atómica general.

El avance del equipo de Cambridge se basa precisamente en este modelo de "alta pérdida unidireccional". Propusieron y validaron un esquema de flujo de gas circulante multietapa que permite que el metano pase repetidamente por la zona de pirólisis de alta temperatura del reactor hasta su completa conversión. Este sistema cerrado ya no depende del gas hidrógeno externo, sino que establece gradualmente una composición de gas adecuada durante la propia reacción, suprimiendo así el humo y manteniendo el crecimiento controlable de los nanotubos de carbono.

En el diseño experimental, los investigadores construyeron un reactor FCCVD multipaso a escala de laboratorio. El gas metano circula en un entorno de pirólisis a alta temperatura, aproximadamente a 1300 °C. Tras cada ronda de reacción, solo se extrae aproximadamente el 1 % del gas para la separación del hidrógeno, mientras que el gas restante reingresa a la zona de reacción para continuar participando en la reacción. Los nanotubos de carbono generados se dispersaron y recogieron continuamente, mientras que otros hidrocarburos y trazas de sulfuro de hidrógeno en la fase gaseosa no interfirieron significativamente en el crecimiento de los nanotubos de carbono.

La mejora de la eficiencia que aporta esta estrategia cíclica es significativa. Los datos de investigación muestran que, en comparación con los reactores FCCVD unidireccionales tradicionales, el rendimiento de carbono de este sistema se ha multiplicado por 8,7, mientras que la eficiencia molar del proceso, que mide la eficiencia de utilización a nivel molecular, se ha multiplicado por 446. Este resultado implica que cada molécula de gas que entra en el sistema se convierte y utiliza de forma más completa, lo que se traduce en una reducción significativa de las emisiones de residuos del reactor.

Análisis adicionales del modelo muestran que, en condiciones de parámetros industriales, el reactor multietapa puede convertir teóricamente alrededor del 75 % del gas de alimentación del sistema en el producto objetivo, con una proporción de nanotubos de carbono e hidrógeno de aproximadamente 3:1. Esta proporción tiene importancia práctica tanto para la industria de materiales de servicio como para las aplicaciones de energía de hidrógeno: por un lado, los nanotubos de carbono pueden utilizarse como aditivos conductores para baterías de iones de litio, y su demanda aumenta continuamente con la expansión de los mercados de baterías de potencia y almacenamiento de energía; por otro lado, el hidrógeno como subproducto genera una salida estable sin introducir emisiones adicionales de carbono, lo que proporciona una fuente potencial de bajas emisiones de carbono para el sistema de energía de hidrógeno.

Cabe destacar que el equipo de investigación también validó la composición de fuentes de gas renovables, como el biogás, utilizando una mezcla de metano y dióxido de carbono como materia prima. Este diseño experimental amplía aún más los límites de aplicación de la tecnología, permitiéndole ya no limitarse a los sistemas de energía fósil, sino combinarse con sistemas de energía de biomasa y de tratamiento de residuos agrícolas. En este escenario, el dióxido de carbono ya no se emite directamente, sino que queda "bloqueado" en materiales de carbono sólido como parte del sistema de alimentación, creando una nueva vía de ciclado del carbono.

Desde una perspectiva industrial, el valor de esta investigación no reside en alterar el panorama actual de la producción de hidrógeno o de la industria de nanotubos de carbono a corto plazo, sino en demostrar un enfoque de proceso altamente integrado: mediante la reconstrucción de la estructura del reactor y los métodos de gestión de gases, la preparación del material y la producción de energía pueden lograrse simultáneamente en el mismo sistema. Este concepto de "acoplamiento de procesos" es precisamente una de las capacidades más escasas en la tendencia actual de desarrollo a gran escala y con bajas emisiones de carbono de la industria de nuevos materiales.

Por supuesto, aún existen numerosos desafíos de ingeniería, desde los reactores de laboratorio hasta los dispositivos de grado industrial, incluyendo la estabilidad a largo plazo de los sistemas de alta temperatura, el costo de la separación de gases y el control de la circulación, la vida útil del catalizador y la consistencia en la recolección continua de nanotubos de carbono. Sin embargo, se puede confirmar que la vía FCCVD multipaso propuesta por el equipo de la Universidad de Cambridge ha proporcionado un nuevo marco de referencia para la pirólisis de metano en términos de eficiencia de reacción y utilización de recursos.

En el contexto del crecimiento paralelo de la demanda global de energía de hidrógeno y materiales de carbono avanzados, este logro de investigación demuestra la redefinición del metano, una molécula energética tradicional, en un nuevo sistema: ya no es solo un combustible o materia prima química, sino un nodo clave que conecta la energía limpia con materiales de alta gama. Si esta tecnología logra una amplificación fiable en el futuro, su impacto podría trascender a una sola industria y convertirse en una innovación de proceso subyacente demostrativa en el sistema industrial bajo en carbono.

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