Nuevo material captura CO2 directamente del aire sin degradación

Un nuevo tipo de material absorbente desarrollado por químicos de la Universidad de California, Berkeley, podría ayudar a que el mundo alcance emisiones negativas de CO2.

El material poroso (una estructura orgánica covalente, COF) captura rápidamente el CO2 del aire ambiente sin degradarse por el agua u otros contaminantes, una de las limitaciones de las tecnologías DAC (captura directa del aire) existentes.

Sin estas tecnologías en desarrollo, según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, no alcanzaremos el objetivo de la humanidad de limitar el calentamiento a 1,5 °C por encima de los promedios globales preexistentes.

"Tomamos un polvo de este material, lo pusimos en un tubo y pasamos aire de Berkeley (solo aire exterior) al material para ver cómo funcionaba, y fue maravilloso. Limpió el aire por completo de CO2. Todo", dijo Omar Yaghi, profesor de química James y Neeltje Tretter en UC Berkeley y autor principal de un artículo que aparecerá en línea el 23 de octubre en la revista Nature.

"Estoy entusiasmado porque no hay nada parecido en términos de rendimiento. Abre nuevos caminos en nuestros esfuerzos por abordar el problema climático", agregó.

Según Yaghi, el nuevo material podría sustituirse fácilmente en los sistemas de captura de carbono que ya se están implementando o que se están probando para eliminar el CO2 de las emisiones de las refinerías y capturar el CO2 atmosférico para almacenarlo bajo tierra.

Zihui Zhou, estudiante de posgrado de la Universidad de California en Berkeley y primer autor del artículo, afirmó en un comunicado que tan sólo 200 gramos del material (un poco menos de media libra) pueden absorber tanto CO2 en un año (20 kilogramos) como un árbol.

"La captura de gases de combustión es una forma de frenar el cambio climático porque se intenta no liberar CO2 al aire. La captura directa del aire es un método que nos permite volver a la situación de hace 100 años o más", afirmó Zhou. "Actualmente, la concentración de CO2 en la atmósfera es superior a 420 ppm, pero aumentará a quizás 500 o 550 antes de que desarrollemos y empleemos por completo la captura de gases de combustión. Por lo tanto, si queremos reducir la concentración y volver a quizás 400 o 300 ppm, tenemos que utilizar la captura directa del aire".

COF vs MOF

Yaghi es el inventor de los COF y MOF (estructuras metalorgánicas), ambas estructuras cristalinas rígidas con poros internos espaciados regularmente que proporcionan una gran superficie para que los gases se adhieran o adsorban. Algunas MOF que él y su laboratorio han desarrollado pueden adsorber agua del aire, incluso en condiciones áridas, y cuando se calientan, liberan el agua para beber. Ha estado trabajando en MOF para capturar carbono desde la década de 1990, mucho antes de que el DAC estuviera en las pantallas de radar de la mayoría de las personas, dijo.

Hace dos años, su laboratorio creó un material muy prometedor, MOF-808, que adsorbe CO2, pero los investigadores descubrieron que después de cientos de ciclos de adsorción y desorción, los MOF se descomponían. Estos MOF estaban decorados en su interior con aminas (grupos NH2), que se unen eficazmente al CO2 y son un componente común de los materiales de captura de carbono. De hecho, el método de captura de carbono dominante implica burbujear gases de escape a través de aminas líquidas que capturan el dióxido de carbono. Yaghi observó, sin embargo, que la regeneración intensiva en energía y la volatilidad de las aminas líquidas dificultan su posterior industrialización.

Trabajando con colegas, Yaghi descubrió por qué algunos MOF se degradan para aplicaciones DAC: son inestables en condiciones básicas, a diferencia de las ácidas, y las aminas son bases. Él y Zhou trabajaron con colegas en Alemania y Chicago para diseñar un material más fuerte, al que llamaron COF-999. Mientras que los MOF se mantienen unidos por átomos de metal, los COF se mantienen unidos por enlaces dobles covalentes carbono-carbono y carbono-nitrógeno, entre los enlaces químicos más fuertes de la naturaleza.

Al igual que con MOF-808, los poros de COF-999 están decorados en su interior con aminas, lo que permite la absorción de más moléculas de CO2.

"Atrapar CO2 del aire es un problema muy desafiante", dijo Yaghi. "Es un material energéticamente exigente, se necesita un material que tenga una alta capacidad de dióxido de carbono, que sea altamente selectivo, que sea estable en el agua, estable a la oxidación, reciclable. Debe tener una temperatura de regeneración baja y debe ser escalable. Es un pedido alto para un material. Y en general, lo que se ha implementado hasta el día de hoy son soluciones de aminas, que consumen mucha energía porque se basan en tener aminas en agua, y el agua requiere mucha energía para calentarse, o materiales sólidos que finalmente se degradan con el tiempo".

Yaghi y su equipo han pasado los últimos 20 años desarrollando COF que tengan una estructura lo suficientemente fuerte como para soportar contaminantes, que van desde ácidos y bases hasta agua, azufre y nitrógeno, que degradan otros materiales sólidos porosos. El COF-999 se ensambla a partir de una estructura de polímeros de olefina con un grupo amina unido. Una vez que se ha formado el material poroso, se lo llena con más aminas que se unen al NH2 y forman polímeros de amina cortos dentro de los poros. Cada amina puede capturar aproximadamente una molécula de CO2.

Cuando se bombea aire con 400 ppm de CO2 a través del COF a temperatura ambiente (25 °C) y 50% de humedad, alcanza la mitad de su capacidad en aproximadamente 18 minutos y se llena en aproximadamente dos horas. Sin embargo, esto depende de la forma de la muestra y podría acelerarse hasta una fracción de minuto cuando se optimiza. El calentamiento a una temperatura relativamente baja (60 °C) libera el CO2 y el COF está listo para adsorber CO2 nuevamente. Puede retener hasta 2 milimoles de CO2 por gramo, lo que lo distingue de otros absorbentes sólidos.

Yaghi señaló que no todas las aminas en las cadenas internas de poliaminas capturan actualmente CO2, por lo que podría ser posible agrandar los poros para que capturen más del doble.

"Este COF tiene una estructura sólida, química y térmicamente estable, requiere menos energía y hemos demostrado que puede soportar 100 ciclos sin pérdida de capacidad. Ningún otro material ha demostrado tener un rendimiento similar", dijo Yaghi. "Básicamente, es el mejor material que existe para la captura directa de aire".