Comprender las trampas de carbono
El sondeo físico de un material prometedor muestra exactamente cómo fija el CO₂ en su lugar
Mientras las industrias buscan soluciones innovadoras para la captura de carbono, los científicos han recurrido a materiales avanzados que atrapan y almacenan eficazmente el dióxido de carbono (CO₂) de las emisiones industriales. Un estudio reciente de un equipo del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), la Universidad Tecnológica de Dresde (TUD) y la Universidad Maria Curie-Skłodowska de Lublin (Polonia) arroja luz sobre la física de adsorción de gases del llamado Marco Calgario 20 (CALF-20), un marco metal-orgánico (MOF) a base de zinc. La investigación pone de relieve cómo CALF-20 captura eficazmente el CO₂ a la vez que resiste las interferencias del agua, un problema habitual en los materiales de captura de carbono.
Las tecnologías de captura de CO₂ se basan en materiales capaces de atrapar selectivamente el gas de efecto invernadero de las corrientes de gas minimizando al mismo tiempo el consumo de energía. Los adsorbentes tradicionales, como los carbones activados y las zeolitas, suelen requerir mucha energía o ser poco selectivos en entornos húmedos. En cambio, CALF-20 destaca por su elevada captación de CO₂ y su suave calor de adsorción y regeneración. Mantiene una alta selectividad al adsorber preferentemente CO₂ sobre agua en condiciones de humedad moderada. CALF-20 captura CO₂ con mayor eficacia y absorbe menos agua en tales condiciones, en comparación con otros compuestos similares ampliamente estudiados. Todos esos MOF son muy porosos y están formados por cúmulos de metal-oxígeno, que se conectan de forma estructurada mediante pilares de sustancias químicas orgánicas. Esta disposición tridimensional da lugar a redes de cavidades que recuerdan a los poros de una esponja de cocina.
"En este estudio, empleamos un enfoque multifacético para investigar el comportamiento de adsorción de CO₂ de CALF-20. Mediante una combinación de espectroscopia de vida de aniquilación de positrones (PALS), difracción de rayos X en polvo in situ (PXRD) y experimentos de adsorción de gases, pudimos visualizar la interacción entre las moléculas de CO₂ y la estructura interna del material a diferentes temperaturas y niveles de humedad. Estos datos proporcionan información importante para optimizar las tecnologías de captura de CO₂ en entornos industriales reales", explica el Dr. Ahmed Attallah, del Instituto de Física de la Radiación de la HZDR.
Una inmersión profunda en los mecanismos de adsorción
"PALS desempeña un papel fundamental en el análisis de la interacción de los gases con los materiales porosos. Esta técnica mide el tiempo de vida del positronio, un estado ligado de un electrón y un positrón, que es sensible a los volúmenes libres locales. En materiales porosos como el CALF-20, los tiempos de vida del positronio indican los espacios vacíos, su tamaño y cómo cambian cuando las moléculas de gas empiezan a llenar los poros", afirma el profesor Radosław Zaleski, de la Universidad Maria Curie-Skłodowska de Lublin.
Mediante PALS, los investigadores observaron que el CO₂ se reúne inicialmente en el centro de los nanoporos de CALF-20, formando una disposición estructurada antes de adherirse a las paredes de los poros. Esta progresión se correlaciona con el aumento de la presión de CO₂, lo que confirma que PALS puede seguir los pasos de la adsorción molecular en tiempo real. El método también reveló que, incluso después de que el CO₂ llene los poros, persisten pequeños volúmenes libres, lo que puede ser fundamental para mejorar la eficacia de la adsorción.
PALS resultó especialmente útil para distinguir cómo interactúan el CO₂ y el agua dentro del material. En condiciones de humedad, los datos de PALS mostraron que el agua forma grupos aislados a baja humedad, pero a niveles de humedad más altos, forma redes interconectadas. "Estos cambios estructurales afectan a la accesibilidad de los poros y, sin embargo, el CALF-20 mantiene su importante capacidad de adsorción de CO₂ a una humedad relativa inferior al 40%. Los métodos convencionales de adsorción de gases por sí solos tendrían dificultades para resolver estas finas variaciones estructurales, lo que demuestra el valor único de PALS en el análisis de las interacciones dinámicas gas-material", resume el profesor Stefan Kaskel, de la TUD.
El impacto de la humedad: Un reto clave en la captura de CO₂
En las aplicaciones industriales, rara vez se captura CO₂ de corrientes de gas secas: casi siempre hay humedad. Esto supone un reto para muchos materiales, ya que las moléculas de agua suelen competir con el CO₂ por los sitios de adsorción, lo que reduce la eficiencia.
Mediante experimentos controlados de humedad in situ, el equipo descubrió que el CALF-20 mantiene un sólido rendimiento de adsorción de CO₂ incluso en presencia de agua, donde el nivel de humedad relativa define esta robustez. A baja humedad, las moléculas de agua permanecen aisladas dentro de la estructura. Esta formación de red altera el volumen libre del material, pero el CO₂ sigue encontrando sitios de adsorción disponibles, lo que demuestra la resistencia de CALF-20 en condiciones de humedad. A niveles de humedad cada vez más altos, forman redes interconectadas de enlaces de hidrógeno, lo que permite que domine la absorción de agua.
Mediante la integración de PALS con otras técnicas de caracterización, este estudio proporciona una comprensión global de cómo CALF-20 captura CO₂ en diversas condiciones ambientales. Los resultados sugieren que CALF-20 podría servir como solución escalable y energéticamente eficiente para la captura industrial de CO₂, especialmente en entornos en los que la humedad supone un reto. Desarrollado por investigadores de la Universidad de Calgary, el CALF-20 ya se ha escalado hasta la producción de varios kilogramos, lo que lo convierte en un firme candidato para aplicaciones en el mundo real.
Las implicaciones van más allá de la ciencia fundamental: estos conocimientos podrían allanar el camino hacia la optimización de MOF de nueva generación para su despliegue a gran escala en aplicaciones de captura y almacenamiento de carbono (CAC). La investigación futura se centrará en la estabilidad a largo plazo y la integración de procesos, acercándose a la aplicación de CALF-20 en estrategias industriales de mitigación del CO₂.
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