La creciente preocupación por el cambio climático y la necesidad de encontrar fuentes energéticas más limpias y sostenibles han impulsado una innovación significativa en el campo de la química y la ingeniería energética. Entre estas innovaciones destaca el uso de las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC, por sus siglas en inglés) para la reformación superseca de metano, un proceso que promete transformar la forma en que aprovechamos el gas natural rico en dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4). Esta tecnología no solo optimiza la producción de gases sintéticos o syngas, sino que también contribuye a la reducción de emisiones contaminantes y al aprovechamiento eficiente de recursos hasta ahora subutilizados. La reformación de metano con dióxido de carbono, conocida como reformado seco (Dry Reforming of Methane, DRM), es un proceso químico bien estudiado que convierte CH4 y CO2 en monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2), componentes fundamentales para la producción de combustibles sintéticos y productos químicos industriales. Tradicionalmente, la relación molar entre CO2 y CH4 en este proceso es de 1:1; sin embargo, la naturaleza cambiante de los recursos de gas natural, que ahora suelen contener concentraciones mucho más altas de CO2, ha presentado desafíos significativos.
La separación del CO2 para alcanzar la proporción adecuada implica costos elevados y procesos complejos, limitando la viabilidad económica de esta tecnología en ciertas aplicaciones. Frente a este panorama, un equipo de investigadores del Instituto de Física Química de Dalian, bajo la dirección de los profesores Wang Guoxiong, Xiao Jianping y Bao Xinhe, ha desarrollado un innovador proceso de reformación superseca de metano, capaz de operar con una relación CO2/CH4 igual o superior a 2. Publicado recientemente en la prestigiosa revista Nature Chemistry, este avance representa un salto cualitativo en la tecnología de conversión de gases, al permitir la utilización directa de gas natural rico en CO2 sin necesidad de procesos costosos de separación. El secreto de este avance radica en la implementación de las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC) diseñadas para funcionar a altas temperaturas, entre 600 y 850 grados Celsius. Las SOECs tienen la capacidad característica de convertir CO2 y H2O en CO e H2 con excelentes tasas de reacción y una alta eficiencia energética.
Además, su bajo costo operativo y compatibilidad con energías renovables las convierte en una tecnología prometedora para descarbonizar múltiples sectores, desde la producción de hidrógeno limpio hasta el almacenamiento de energía. El equipo investigador innovó al combinar las reacciones de reformación seca de metano con la reacción inversa del gas de agua (Reverse Water-Gas Shift, RWGS) y la electrólisis de agua en el cátodo de la SOEC, formando un sistema de catálisis electro-térmica en tándem. En este sistema, el agua formada como subproducto se electroliza in situ, generando hidrógeno y iones oxígeno (O2-), que migran a través del electrolito y se oxidan en el ánodo, liberando oxígeno molecular. Este mecanismo electrolítico impulsa el equilibrio del RWGS hacia adelante, aumentando la conversión de CO2 y la selectividad hacia el hidrógeno, superando las limitaciones termodinámicas de los procesos convencionales. La integración de estas reacciones en un solo dispositivo representa una sinergia tecnológica que mejora de forma considerable el rendimiento global de la conversión.
Un factor clave que contribuyó al éxito del sistema fue la incorporación in situ de nanopartículas de rodio (Rh) sobre un soporte de óxido de cerio parcialmente reducido (CeO2-x). Este diseño genera una alta densidad de sitios activos interfaciales Ce3+-vacantes de oxígeno (VO)-Rhδ+, que son cruciales para la adsorción y activación eficiente de CO2, así como para la disociación del metano. Durante las pruebas experimentales, el sistema demostró resultados impresionantes al operar con una relación CO2/CH4 de 4. El metano alcanzó una conversión del 94.5% y el dióxido de carbono del 95%, con una selectividad cercana al 100% hacia los productos deseados, CO e H2.
Estos valores representan el máximo teórico en términos de capacidad reductora del metano (4.0), evidenciando la alta eficiencia del proceso desarrollado. El estudio detalló que los sitios Rhδ+ son los responsables predominantes de la disociación del metano, mientras que la interfaz Ce3+-VO-Rhδ+, rica en vacantes de oxígeno, facilita la adsorción y activación del CO2, así como la reacción RWGS. Adicionalmente, esta misma interfaz catalizó la reducción electroquímica del agua, incrementando aún más la conversión de CO2 y la producción selectiva de hidrógeno. Lo significativo de este sistema es que permite la utilización directa de corrientes de gas natural con altos contenidos de CO2 sin necesidad de purificación previa, abriendo la puerta para aprovechar recursos que hasta ahora se consideraban menos valiosos o que representaban un desafío ambiental.
Además, su compatibilidad con energías renovables permite que el proceso sea realmente sostenible, contribuyendo a la reducción neta de emisiones de gases de efecto invernadero. Este avance tiene implicaciones de gran alcance para la industria energética y química. La producción eficiente de syngas (mezcla de CO y H2) es fundamental para la fabricación de combustibles líquidos sintéticos, amoníaco verde, metanol y otros productos químicos clave. La capacidad de adaptar este proceso a gases naturales contaminados con CO2 y la opción de alimentarlo con electricidad renovable pueden transformar radicalmente la cadena de suministro energética y química. Los desafíos futuros incluyen la escalabilidad del sistema, su durabilidad a largo plazo y la optimización del costo de materiales como el rodio.
No obstante, los resultados obtenidos hasta la fecha ofrecen una base sólida para continuar el desarrollo e implementar esta tecnología en sistemas industriales. En conclusión, el uso de celdas de electrólisis de óxido sólido para la reformación superseca de metano representa un avance tecnológico disruptivo que permite aprovechar de manera eficiente y sostenible el gas natural rico en CO2. Esta sinergia electro-térmica no solo mejora los rendimientos y la selectividad en la producción de syngas, sino que también ofrece una vía viable para la reducción de emisiones y el uso de energías renovables en procesos químicos industriales. El trabajo pionero del equipo del Instituto de Física Química de Dalian establece un precedente para futuras investigaciones e implementaciones que podrían cambiar el paradigma de la industria energética en la transición hacia un futuro más limpio y sostenible.
