Un material sencillo y barato para la captura de carbono, quizás de los tubos de escape
Un material poroso de melamina captura eficazmente el CO₂ de los gases de combustión
Utilizando un polímero barato llamado melamina -el principal componente de Formica-, los químicos han creado una forma barata, fácil y energéticamente eficiente de capturar el dióxido de carbono de las chimeneas, un objetivo clave para Estados Unidos y otros países en su intento de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
El dióxido de carbono (representado en rojo y blanco a la izquierda) es el principal gas de efecto invernadero que calienta la Tierra y se emite en grandes cantidades en los gases de combustión de las plantas industriales y eléctricas. Un nuevo método para eliminar el CO2 de estos gases de combustión consiste en canalizar las emisiones a través de un material poroso basado en la melamina química (centro). La DETA, una sustancia química ligada a la melamina porosa, atrapa el CO2 y lo elimina del gas, con el nitrógeno que se ventila a la atmósfera.
Haiyan Mao and Jeffrey Reimer, UC Berkeley
El proceso de síntesis del material de melamina, publicado en la revista Science Advances, podría ampliarse para capturar las emisiones de los tubos de escape de los vehículos u otras fuentes móviles de dióxido de carbono. El dióxido de carbono procedente de la quema de combustibles fósiles constituye aproximadamente el 75% de todos los gases de efecto invernadero producidos en Estados Unidos.
El nuevo material es sencillo de fabricar, ya que requiere principalmente polvo de melamina disponible en el mercado -que hoy cuesta unos 40 dólares por tonelada- junto con formaldehído y ácido cianúrico, un producto químico que, entre otros usos, se añade con cloro a las piscinas.
"Queríamos pensar en un material de captura de carbono que procediera de fuentes realmente baratas y fáciles de conseguir. Así que decidimos empezar con la melamina", explica Jeffrey Reimer, profesor de la Escuela de Postgrado del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de California en Berkeley y uno de los autores correspondientes del trabajo.
La llamada red porosa de melamina captura el dióxido de carbono con una eficacia comparable a los primeros resultados de otro material relativamente reciente para la captura de carbono, los marcos orgánicos metálicos o MOF. Los químicos de la UC Berkeley crearon el primer MOF de captura de carbono de este tipo en 2015, y las versiones posteriores han demostrado ser aún más eficientes en la eliminación de dióxido de carbono de los gases de combustión, como los de una central eléctrica de carbón.
Sin embargo, Haiyan Mao, becario postdoctoral de la UC Berkeley y primer autor del artículo, afirma que los materiales basados en la melamina utilizan ingredientes mucho más baratos, son más fáciles de fabricar y son más eficientes energéticamente que la mayoría de los MOF. El bajo coste de la melamina porosa significa que el material podría desplegarse ampliamente.
"En este estudio, nos centramos en el diseño de materiales más baratos para la captura y el almacenamiento y en dilucidar el mecanismo de interacción entreel CO2 y el material", dijo Mao. "Este trabajo crea un método de industrialización general hacia la captura sostenible deCO2 mediante redes porosas. Esperamos poder diseñar un futuro accesorio para capturar los gases de escape de los coches, o tal vez un accesorio para un edificio o incluso un recubrimiento en la superficie de los muebles."
El trabajo es una colaboración entre un grupo de la UC Berkeley dirigido por Reimer; un grupo de la Universidad de Stanford dirigido por Yi Cui, que es director del Instituto Precourt para la Energía, profesor visitante Miller de Somorjai en la UC Berkeley y antiguo becario postdoctoral de la UC Berkeley; el profesor de la Escuela de Postgrado de la UC Berkeley Alexander Pines; y un grupo de la Universidad A&M de Texas dirigido por Hong-Cai Zhou. Jing Tang, becario postdoctoral en Stanford y en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford y profesor visitante en la UC Berkeley, es el primer autor junto con Mao.
Neutralidad de carbono para 2050
Aunque la eliminación de la quema de combustibles fósiles es esencial para frenar el cambio climático, una importante estrategia provisional consiste en capturar las emisiones de dióxido de carbono -el principal gas de efecto invernadero- y almacenar el gas bajo tierra o convertirel CO2 en productos utilizables. El Departamento de Energía de EE.UU. ya ha anunciado proyectos por un total de 3.180 millones de dólares para impulsar tecnologías avanzadas y comercialmente escalables de captura, utilización y secuestro de carbono (CCUS) para alcanzar un ambicioso objetivo de eficiencia de captura deCO2 en los gases de combustión del 90%. El objetivo final de EE.UU. es conseguir que las emisiones de carbono sean nulas en 2050.
Pero la captura de carbono está lejos de ser comercialmente viable. La mejor técnica actual consiste en hacer pasar los gases de combustión por aminas líquidas, que aglutinanel CO2. Pero esto requiere grandes cantidades de energía para liberar el dióxido de carbono una vez unido a las aminas, de modo que pueda concentrarse y almacenarse bajo tierra. La mezcla de aminas debe calentarse a entre 120 y 150 grados Celsius (250-300 grados Fahrenheit) para regenerar elCO2.
En cambio, la red porosa de melamina con modificación de DETA y ácido cianúrico captura elCO2 a unos 40 grados Celsius, ligeramente por encima de la temperatura ambiente, y lo libera a 80 grados Celsius, 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 investigación, el equipo de Berkeley/Stanford/Texas se centró en el polímero común melamina, que se utiliza no sólo en Formica 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 un kilogramo- crea poros a nanoescala en la melamina que los investigadores pensaron que absorberíanel CO2.
Mao dijo que las pruebas confirmaron que la melamina tratada con formaldehído adsorbe algo deCO2, pero la adsorción podría mejorarse mucho añadiendo otro producto químico que contiene amina, DETA (dietilentriamina), para fijarel CO2. Posteriormente, ella y sus colegas descubrieron que la adición de ácido cianúrico durante la reacción de polimerización aumentaba drásticamente el tamaño de los poros y mejoraba radicalmente la eficacia de la captura deCO2: Casi todo el dióxido de carbono de una mezcla de gases de combustión simulada fue absorbido en unos 3 minutos.
La adición de ácido cianúrico también permitió utilizar el material una y otra vez.
Mao y sus colegas realizaron estudios de resonancia magnética nuclear (RMN) en estado sólido para entender cómo interactuaban el ácido cianúrico y el DETA para que la captura de carbono fuera tan eficaz. Los estudios demostraron que el ácido cianúrico forma fuertes enlaces de hidrógeno con la red de melamina que ayuda a estabilizar el DETA, impidiendo que se filtre fuera de los poros de la melamina durante los ciclos repetidos de captura y regeneración de carbono.
"Lo que Haiyan y sus colegas pudieron demostrar con estas elegantes técnicas es exactamente cómo se entremezclan estos grupos, exactamente cómo reaccionael CO2 con ellos, y que en presencia de este ácido cianúrico que abre los poros, es capaz de ciclar elCO2 muchas veces con una capacidad que es realmente muy buena", dijo Reimer. "Y la velocidad a la que se adsorbe elCO2 es realmente muy rápida, en relación con otros materiales. Así que se han cumplido todos los aspectos prácticos a escala de laboratorio de este material para la captura deCO2, y es increíblemente barato y fácil de fabricar."
"Utilizando técnicas de resonancia magnética nuclear en estado sólido, hemos dilucidado sistemáticamente y con un nivel de detalle atómico sin precedentes el mecanismo de la reacción de las redes amorfas con elCO2", dijo Mao. "Para la comunidad energética y medioambiental, este trabajo crea una familia de redes de alto rendimiento en estado sólido junto con un conocimiento profundo de los mecanismos, pero también fomenta la evolución de la investigación de materiales porosos desde los métodos de ensayo y error hasta la modulación racional, paso a paso, a nivel atómico."
Los grupos de Reimer y Cui siguen ajustando el tamaño de los poros y los grupos de aminas para mejorar la eficacia de la captura de carbono de las redes porosas de melamina, manteniendo al mismo tiempo la eficiencia energética. Para ello, utilizan una técnica denominada química combinatoria dinámica para variar las proporciones de los ingredientes y conseguir una captura deCO2 eficaz, escalable, reciclable y de gran capacidad.
Reimer y Mao también han colaborado estrechamente con el grupo de Cui en Stanford para sintetizar otros tipos de materiales, como membranas nanoporosas jerárquicas -una clase de nanocompuestos combinados con una esfera de carbono y óxido de grafeno- y carbones nanoporosos jerárquicos hechos de madera de pino, para adsorber el dióxido de carbono. Reimer desarrolló la RMN en estado sólido específicamente para caracterizar el mecanismo por el que los materiales sólidos interactúan con el dióxido de carbono, con el fin de diseñar mejores materiales para la captura de carbono del medio ambiente y el almacenamiento de energía. Cui desarrolló una plataforma de estado sólido robusta y sostenible y técnicas de fabricación para crear nuevos materiales que aborden el cambio climático y el almacenamiento de energía.
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