Los investigadores han creado una forma barata, fácil y eficiente en energía para capturar el dióxido de carbono de las chimeneas.
Usaron un polímero económico llamado melamina, el principal componente de Formica.
El nuevo trabajo es un objetivo clave para los Estados Unidos y otras naciones en su intento de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
El proceso para sintetizar el material de melamina, publicado esta semana en la revista Science Advances , podría reducirse potencialmente para capturar las emisiones de los gases de escape de los vehículos u otras fuentes móviles de dióxido de carbono.
El dióxido de carbono de la quema de combustibles fósiles representa aproximadamente el 75% de todos los gases de efecto invernadero producidos en los EE. UU.
El nuevo material es fácil de fabricar y requiere principalmente polvo de melamina listo para usar, que hoy cuesta alrededor de $ 40 por tonelada, junto con formaldehído y ácido cianúrico, un químico que, entre otros usos, se agrega con cloro a las piscinas.
“Queríamos pensar en un material de captura de carbono que se derivara de fuentes que fueran realmente baratas y fáciles de conseguir. Entonces, decidimos comenzar con la melamina”, dice Jeffrey Reimer, profesor de la escuela de posgrado en el departamento de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de California, Berkeley, y uno de los autores correspondientes del artículo.
Manera más barata de capturar carbono
La llamada red porosa de melamina captura el dióxido de carbono con una eficiencia comparable a los primeros resultados de otro material relativamente reciente para la captura de carbono, estructuras orgánicas metálicas o MOF. Los investigadores crearon el primer MOF de captura de carbono de este tipo en 2015, y las versiones posteriores han demostrado ser aún más eficientes para eliminar el dióxido de carbono de los gases de combustión, como los de una central eléctrica de carbón.
Pero Haiyan Mao, becario postdoctoral de UC Berkeley y primer autor del artículo, dice que los materiales a base de melamina usan ingredientes mucho más baratos, son más fáciles de fabricar y son más eficientes energéticamente que la mayoría de los MOF. El bajo costo de la melamina porosa significa que el material podría implementarse ampliamente.
“En este estudio, nos enfocamos en el diseño de materiales más baratos para la captura y el almacenamiento y en dilucidar el mecanismo de interacción entre el CO2 y el material”, dice Mao.
“Este trabajo crea un método de industrialización general hacia la captura sostenible de CO2 utilizando redes porosas. Esperamos poder diseñar un accesorio futuro para capturar los gases de escape de los automóviles, o tal vez un accesorio para un edificio, o incluso un revestimiento en la superficie de los muebles”.
Si bien eliminar la quema de combustibles fósiles es esencial para detener el cambio climático, una importante estrategia provisional es capturar las emisiones de dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, y almacenar el gas bajo tierra o convertir el CO2 en productos utilizables. El Departamento de Energía de EE. UU. ya ha anunciado proyectos por un total de 3180 millones de dólares para impulsar tecnologías avanzadas y comercialmente escalables para la captura, utilización y secuestro de carbono (CCUS) a fin de alcanzar un ambicioso objetivo de eficiencia de captura de CO2 de gases de combustión del 90 %.
El objetivo final de EE. UU. es cero emisiones netas de carbono para 2050.
Pero la captura de carbono está lejos de ser comercialmente viable. Actualmente, la mejor técnica consiste en canalizar los gases de combustión a través de aminas líquidas, que se unen al CO2. Pero esto requiere grandes cantidades de energía para liberar el dióxido de carbono una vez que se une a las aminas, de modo que pueda concentrarse y almacenarse bajo tierra. La mezcla de aminas debe calentarse entre 120 y 150 grados Celsius (250-300 grados Fahrenheit) para regenerar el CO2.
Por el contrario, la red porosa de melamina con DETA y modificación con ácido cianúrico captura CO2 a unos 40 grados centígrados, ligeramente por encima de la temperatura ambiente, y lo libera a 80 grados centígrados, por debajo del punto de ebullición del agua. El ahorro de energía proviene de no tener que calentar la sustancia a altas temperaturas.
En su trabajo, los investigadores se centraron en el polímero común de melamina, que se utiliza no solo en la fórmica, sino también en vajillas y utensilios económicos, revestimientos industriales y otros plásticos. El tratamiento del polvo de melamina con formaldehído, que los investigadores hicieron en cantidades de kilogramos, crea poros a nanoescala en la melamina que los investigadores pensaron que absorbería el CO2.
Mao dice que las pruebas confirmaron que la melamina tratada con formaldehído absorbía un poco el CO2, pero la adsorción podría mejorarse mucho agregando otro químico que contiene amina, DETA (dietilentriamina), para unir el CO2. Posteriormente, ella y sus colegas descubrieron que agregar ácido cianúrico durante la reacción de polimerización aumentaba drásticamente el tamaño de los poros y mejoraba radicalmente la eficiencia de captura de CO2: casi todo el dióxido de carbono en una mezcla de gases de combustión simulada se absorbía en aproximadamente 3 minutos.
La adición de ácido cianúrico también permitió que el material se usara una y otra vez.
Mao y sus colegas realizaron estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido para comprender cómo interactuaban el ácido cianúrico y el DETA para hacer que la captura de carbono fuera tan eficiente. Los estudios demostraron que el ácido cianúrico forma fuertes enlaces de hidrógeno con la red de melamina que ayuda a estabilizar el DETA, evitando que se filtre fuera de los poros de la melamina durante ciclos repetidos de captura y regeneración de carbono.
“Lo que Haiyan y sus colegas pudieron demostrar con estas técnicas elegantes es exactamente cómo se entremezclan estos grupos, cómo reacciona exactamente el CO2 con ellos y que, en presencia de este ácido cianúrico que abre los poros, ella puede activar y desactivar el CO2 en muchos ciclos. veces con una capacidad que es bastante buena”, dice Reimer.
“Y la velocidad a la que se adsorbe el CO2 es bastante rápida, en relación con otros materiales. Por lo tanto, se han cumplido todos los aspectos prácticos a escala de laboratorio de este material para la captura de CO2, y es increíblemente barato y fácil de fabricar”.
“Utilizando técnicas de resonancia magnética nuclear de estado sólido, dilucidamos sistemáticamente con detalles atómicos sin precedentes el mecanismo de reacción de las redes amorfas con el CO2”, dice Mao.
“Para la comunidad de energía y medio ambiente, este trabajo crea una familia de redes de estado sólido de alto rendimiento junto con una comprensión profunda de los mecanismos, pero también fomenta la evolución de la investigación de materiales porosos desde métodos de prueba y error hasta métodos racionales paso a paso. -Modulación a nivel atómico, paso a paso.
Los investigadores continúan ajustando el tamaño de los poros y los grupos de aminas para mejorar la eficiencia de captura de carbono de las redes porosas de melamina mientras mantienen la eficiencia energética. Esto implica el uso de una técnica llamada química combinatoria dinámica para variar las proporciones de los ingredientes para lograr una captura de CO2 efectiva, escalable, reciclable y de alta capacidad.