Adsorción selectiva y reversible de gases
Las cosas van mucho mejor bajo tensión
Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Darmstadt ha conseguido, por primera vez, eliminar gases como el dióxido de carbono, el nitrógeno o el argón de la fase gaseosa aplicando una tensión eléctrica. El material almacena los gases en su superficie y los libera de nuevo por completo al cambiar el voltaje. El estudio abre nuevas perspectivas para los procesos de separación energéticamente eficientes y se ha publicado ahora en Advanced Science.
En ciencia y tecnología, separar sustancias entre sí tiene una importancia capital. Para separar líquidos, por ejemplo, a menudo se necesita mucha energía, como ocurre durante la destilación y la vaporización.
Sin embargo, también existen métodos más suaves para separar sustancias de forma selectiva. Funcionan adhiriendo sustancias (adsorbatos) a una superficie y retirándolas posteriormente. En varios pasos, por ejemplo, se pueden capturar (adsorber) diferentes gases y volver a liberarlos (desorber) uno tras otro.
Para realizar la adsorción y la desorción de forma energéticamente eficiente, se necesitan materiales y procesos conmutables. Para su utilización tecnológica, el material conmutable también debe estar fácilmente disponible. El proceso de conmutación debe ser reversible y utilizar el menor número posible de recursos. Para ello, la investigación orientada a la aplicación se centra especialmente en los procesos eléctricos. El proceso resulta especialmente atractivo si la energía eléctrica necesaria puede obtenerse, en la medida de lo posible, de fuentes renovables.
Un equipo de investigación dirigido por el estudiante de doctorado Silvio Heinschke y el profesor Jörg J. Schneider, del Departamento de Química Mesoscópica de la Facultad de Química de la Universidad Técnica de Darmstadt, ha conseguido por primera vez adsorber dióxido de carbono (CO₂), nitrógeno (N₂) o argón directamente de la fase gaseosa aplicando una baja tensión eléctrica a un material (adsorbente). Este adsorbente está formado por carbono (carbón) y dióxido de silicio (arena). Posteriormente, estos gases pueden eliminarse del material adsorbente de forma controlada y completa retirando de nuevo la tensión.
El truco está en que en el material se crean interfaces de sólo unos micrómetros de tamaño. Estas interfaces se crean entre el carbono conductor de la electricidad y el dióxido de silicio dieléctrico, es decir, aislante. La mezcla (compuesto) de ambos materiales es necesaria y decisiva para el comportamiento de adsorción/desorción que ahora se ha descrito por primera vez.
Las inhomogeneidades, es decir, los gradientes de campo, se generan entre las numerosas interfaces de carbono y dióxido de silicio del compuesto mediante carga eléctrica. En estos campos, las moléculas de gases como el CO₂, el N₂ o el argón se cargan o polarizan ligeramente y se adhieren a la superficie del carbono.
En la adsorción influyen los multipolos de las moléculas de gas. Estos tienen diferentes distribuciones de carga y polarizabilidades en el campo eléctrico. La unión resultante de los gases al adsorbente es completamente reversible. Activando y desactivando el campo eléctrico, se puede generar una oscilación inducida por el voltaje entre la carga y la descarga de la fase gaseosa y la superficie del compuesto.
En principio, este principio debería ser factible para todos los gases con una alta polarizabilidad. Sobre esta base, la separación de mezclas de gases mediante adsorción/desorción por oscilación controlada eléctricamente también parece realista en el futuro.
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