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Climate Change

Un dispositivo similar a una batería podría reducir el CO2 atmosférico

Un dispositivo modular hecho de electrodos poliméricos absorbe CO2 en un gran rango de concentraciones de forma eficiente

by Prachi Patel, special to C&EN
November 1, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 43

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Credit: Sahag Voskian/MIT
Una imagen de microscopía de barrido muestra el cátodo, formado por fibra de carbono, de un nuevo dispositivo para la captura de CO2. Las fibras están recubiertas de un material compuesto de nanotubos de carbono y poliantraquinona, que en su estado reducido reacciona con el dióxido de carbono.

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Para evitar los peores efectos del calentamiento global, tenemos que reducir las emisiones de dióxido de carbono drásticamente. Una solución podría ser capturar el CO2 antes de que escape a la atmósfera o intentar atraparlo del aire, donde la concentración de este gas de efecto invernadero supera las 400 partes por millón, según los informes del Comité Intergubernamental para el Cambio Climático (IPCC) de las Naciones Unidas. Un grupo de investigadores ha descubierto una técnica para capturar dióxido de carbono que puede ser muy útil, además de ser eficiente y de bajo coste (Energy Environ. Sci. 2019, DOI: 10.1039/C9EE02412C).

Este dispositivo, similar a una batería, podría reducir las emisiones de dióxido de carbono de los tubos de escape de los coches. Este aparato funciona incluso cuando las concentraciones de CO2 son bajas, tal y como ocurre en la atmósfera. Con algunas modificaciones, esta solución podría utilizarse para capturar este gas directamente del aire.

La captura de dióxido de carbono a gran escala funciona gracias a materiales absorbentes, por lo general disoluciones acuosas de aminas, que se “empapan” de CO2. Pero, una vez capturado, separar el dióxido de carbono y regenerar las aminas requiere una gran cantidad de energía. Además, esta técnica requiere instrumentación muy voluminosa que es difícil de acoplar en los diseños de las fábricas actuales, y solo funciona cuando la concentración de CO2 es alta, como por ejemplo en las combustiones industriales.

Por eso, los investigadores y algunas start-ups están experimentando con materiales absorbentes más eficientes, como los MOF, y otras tecnologías que podrían rebajar el coste de la captura de CO2. Pero de momento no hay ninguna tecnología que pueda escalarse y trabajar con diferentes concentraciones y volúmenes de dióxido de carbono. “El problema con las tecnologías de captura actuales es que no son la panacea”, dice Sahag Voskian, un investigador postdoctoral en ingeniería química en el MIT (Boston, EEUU).

Voskian y el ingeniero químico T. Alan Hatton han diseñado una célula electrolítica que “atrapa” dióxido de carbono cuando fluye sobre la superficie de sus electrodos—que son delgados y flexibles. El electrodo negativo está cubierto de un material compuesto de poliantraquinona y nanotubos de carbono, mientras que el electrodo positivo está cubierto de una mezcla de polivinil-ferroceno y nanotubos de carbono.

Cuando la batería se está cargando, los electrones viajan del lado del ferroceno al de la quinona a través del circuito externo, explica Voskian. En su estado reducido, la quinona reacciona con el dióxido de carbono, formando una sal carbonatada e incorporando el gas al electrodo sólido. Al descargar la celda electrolítica se revierte la reacción, regenerando la quinona y liberando el dióxido de carbono, que se puede expulsar empujándolo con un flujo de cualquier otro gas, dice Voskian.

Este proceso electroquímico es completamente reversible, al contrario que el sistema que utiliza aminas, donde parte del absorbente se vaporiza y se pierde cuando se calienta para que libere el CO2. Para funcionar, esta celda electrolítica se carga y descarga en ciclos—durante la carga se acumula el dióxido de carbono de las combustiones y, al descargarla, se libera el CO2 empujándolo con otro gas.

La escalabilidad es lo que hace que este sistema sea realmente prometedor, dice Paul Webley, un ingeniero químico de la Universidad de Melbourne, Australia. Para aumentar el tamaño del sistema, que encaja perfectamente en un tubo de escape, y adaptarlo a una gran fábrica, simplemente necesitarías apilar varios módulos electrolíticos juntos. Aunque otros expertos todavía tienen que validar esta tecnología, “es una herramienta muy potente que podemos empezar a tener en cuenta para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera”, dice Webley.

Los investigadores han probado el dispositivo con mezclas de gases que imitan situaciones reales con las que se encuentra la industria, con dióxido de carbono, vapor de agua, oxígeno, nitrógeno, y algunos contaminantes. La primera versión del aparato podía absorber dióxido de carbono a concentraciones entre las 6000 y las 100000 ppm. Desde que publicaron sus resultados preliminares, los investigadores ya han probado una nueva mezcla de polímeros que funciona incluso a 500 ppm—una concentración muy cercana a la de CO2 en la atmósfera.

Después de 7000 ciclos, observamos que las celdas habían perdido un 30% de su capacidad absorbente, debido a una migración de los polímeros entre los dos electrodos. Ahora, nuestro grupo del MIT está trabajando en una solución que estabilice los polímeros y evite este problema, dice Voskian.

Hasta el momento, los investigadores han demostrado su tecnología cubriendo electrodos de hasta 10 m2, y han hecho prototipos con superficies de 1 m2. Esperan poder fabricar los dispositivos a escala industrial muy pronto, usando un proceso roll-to-roll, y comercializarlos mediante una nueva spin-off llamada Verdox.

Dado que la celda solo necesita electricidad para funcionar, podría hacer muy buena pareja con fuentes de energía renovables, dice Jennifer L. Wilcox, ingeniera química del Instituto Politécnico de Worcester. El sistema para capturar CO2 directamente del aire podría acoplarse, por ejemplo, a una celda solar que le suministra toda la energía necesaria.

Traducido al español por Fernando Gomollón Bel para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.

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