Convertir dióxido de carbono en combustibles y productos químicos útiles a escala industrial requiere superar un desafío químico fundamental: la molécula de CO₂ es extremadamente estable y romper sus enlaces carbono-oxígeno demanda energía. La electrólisis a alta temperatura, que realiza la reacción a 800 °C en una celda de óxido sólido, ha ofrecido durante mucho tiempo una ruta teórica hacia la eficiencia, pero los catalizadores que aceleran la reacción tienden a degradarse en condiciones tan extremas.
Un equipo del Instituto Dalian de Física Química (DICP), de la Academia China de Ciencias, ha demostrado ahora una forma de mantener estable el catalizador: anclar átomos individuales de iridio sobre un cátodo de perovskita, donde permanecen dispersos atómicamente incluso a 800 °C. El resultado, publicado en Nature Communications el 18 de julio, es una densidad de corriente de 3,02 amperios por centímetro cuadrado, entre las más altas jamás reportadas para la electrólisis de CO₂, mantenida durante más de 600 horas sin degradación.
Cómo funciona
El dispositivo es una celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC), que utiliza un electrolito cerámico que conduce iones de oxígeno a alta temperatura. En el lado del cátodo, el CO₂ se divide en CO e iones O²⁻; los iones viajan a través del electrolito hasta el ánodo, donde se recombinan formando oxígeno gaseoso. La reacción global es CO₂ → CO + ½O₂.
El material del cátodo es una perovskita, óxido de hierro y estroncio dopado con lantano (La₀.₆Sr₀.₄FeO₃₋δ, o LSF), decorada con átomos individuales de iridio. El avance clave es una interacción fuerte metal-soporte in situ (SMSI) que se forma durante la fabricación y operación de la celda. Esta interacción hace dos cosas simultáneamente: fija los átomos de iridio en su lugar, evitando la migración y aglomeración atómica que normalmente destruye los catalizadores de átomo individual a alta temperatura, y altera la estructura electrónica de la superficie de perovskita para promover la formación de vacantes de oxígeno, los sitios activos donde las moléculas de CO₂ se unen y reaccionan.
Las cifras
En comparación con la LSF no modificada, el cátodo decorado con iridio aumentó la densidad de corriente en un 80,8 %, de 1,67 a 3,02 A/cm² a 1,5 V y 800 °C. La eficiencia farádica, la fracción de electrones que se destinan al producto CO deseado en lugar de a reacciones secundarias, fue cercana al 100 %. La celda funcionó durante más de 600 horas sin degradación medible.
A modo de contexto, los cátodos SOEC de última generación alcanzan típicamente de 1,0 a 2,5 A/cm² en condiciones similares. El resultado de 3,02 A/cm², combinado con una estabilidad excepcional, sitúa a este catalizador en la frontera del rendimiento de la electrólisis de CO₂ a alta temperatura.
Por qué es importante la alta temperatura
La electrólisis de CO₂ a baja temperatura, que opera cerca de la temperatura ambiente, alcanza típicamente 100–500 mA/cm² y lucha con la evolución competitiva de hidrógeno y los límites de solubilidad del CO₂. A 800 °C, varias cosas cambian: la cinética de la reacción se acelera exponencialmente, el voltaje termodinámico requerido disminuye (lo que significa que parte de la energía puede provenir de calor barato en lugar de electricidad costosa) y la conductividad iónica del electrolito cerámico aumenta drásticamente. El resultado es un sistema que puede procesar CO₂ a velocidades mucho más altas y con una selectividad casi perfecta hacia CO.
El producto, monóxido de carbono de alta pureza, es una valiosa materia prima industrial que puede combinarse con hidrógeno verde para producir combustible sintético para aviones, metanol u otros hidrocarburos, creando una ruta hacia combustibles neutros en carbono si la electricidad proviene de fuentes renovables.
Advertencias
El iridio es un metal precioso de aproximadamente 150 a 200 dólares por gramo. Incluso con niveles de carga de átomo individual, la economía de la ampliación depende de mantener un contenido de iridio extremadamente bajo. La prueba de estabilidad de 600 horas se realizó en una sola celda de laboratorio, no en una pila completa, y los dispositivos industriales reales requieren de 10 000 a 40 000 horas de operación confiable. La temperatura de operación de 800 °C también exige materiales costosos para sellos, interconexiones y gestión térmica.
El artículo ha sido aceptado y publicado como manuscrito de acceso anticipado en Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-026-75580-x) por S. Zhang, S. Wang, Y. Song, G. Wang, X. Bao y colegas.
Fuentes
1. S. Zhang, S. Wang, H. Liu et al., «Stable high-valent iridium single atoms for high-temperature CO₂ electrolysis», Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75580-x
Traducido por Alessandra